معلومة

كيف تنتشر الميكروبات من مكان صغير إلى مكان كبير جدًا؟

كيف تنتشر الميكروبات من مكان صغير إلى مكان كبير جدًا؟


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.

البكتيريا صغيرة جدًا ، لذا لا يمكنها التحرك بعيدًا بمفردها. لا تستطيع الفيروسات تحريك نفسها على الإطلاق. إذن كيف ينتشر نوع معين من البكتيريا أو الفيروسات من مكان صغير إلى مساحة كبيرة جدًا (مثل الأرض بأكملها)؟


تهاجر الطيور لآلاف الأميال ، وتحمل الأمراض في نطاق زمني يصل إلى أشهر أو أقل. مع التغيرات المناخية ، تغير الحشرات والحيوانات نطاقاتها على مقياس زمني لمئات السنين أو أكثر. يمكن أن تكون الجراثيم البكتيرية مثل الجمرة الخبيثة في شكل يتم نفخه بسهولة في جميع أنحاء الأرض ، وتكون جاهزة للنمو أينما تلمس. تنتقل أمراض النبات مع مضيفيها من النباتات ، وبمرور الوقت يمكن للنباتات - مثل الهندباء والصنوبريات - أن تنتشر آلاف الأميال من خطوط الطول والعرض.


الجواب من قبلSMcGrew صحيح بشكل أساسي ، لكن اسمحوا لي أن أضيف مصطلحًا تقنيًا (على الأقل في سياق الأمراض المعدية): البكتيريا والفيروسات التي تحملها النواقل. منذ كلمة المتجه هو نوع من الإفراط في الاستخدام ، حتى لو قصرنا أنفسنا على علم الأحياء ، فمن الشائع أيضًا أن نكون أكثر تحديدًا ونسمي ناقلات المرض.

يتم تصنيف النواقل إلى ناقلات بيولوجية و ناقلات ميكانيكية، اعتمادًا على ما إذا كانوا يتفاعلون بيولوجيًا مع الميكروب (أي يصابون بالعدوى) أو ما إذا كانوا ينتقلون ببساطة من مكان إلى آخر.


تسمم غذائي

& نسخ A. Dowsett ، وكالة حماية الصحة / مكتبة صور العلوم البكتيريا العطيفة الصائمية هو سبب شائع للتسمم الغذائي. تعتبر الدواجن واللحوم والحليب الملوثة مصادر للعدوى. يستغرق ظهور أعراض الإسهال وتقلصات المعدة والحمى حوالي 3 أيام.

لا يزال عدد حالات الأمراض التي تنقلها الأغذية مرتفعًا حيث يُصاب ما يقدر بمليون شخص في المملكة المتحدة كل عام. الأعراض ، بما في ذلك القيء والإسهال وآلام البطن والحمى ، ليست مزعجة فحسب ، بل إنها تكلف ما يقدر بنحو 1.5 مليار جنيه إسترليني سنويًا في أيام العمل الضائعة والرعاية الطبية. يمكن الوقاية من معظم الأمراض التي تنقلها الأغذية.

تقع مسؤولية منع التسمم الغذائي على عاتق كل فرد في السلسلة من المحراث إلى اللوح. وهذا يشمل المزارعين والمزارعين والمصنعين والمحلات التجارية ومتعهدي تقديم الطعام والمستهلكين. تخضع أنشطة موردي الأغذية لقانون سلامة الأغذية في المملكة المتحدة والاتحاد الأوروبي. يجب ممارسة النظافة الصحيحة في المنزل والطهي والتخزين.

بعض البكتيريا التي يمكن أن تسبب التسمم الغذائي

اسم البكتيريا المصدر الأصلي الأطعمة الخطرة حان وقت التطوير أعراض
بكتيريا سيريوس العصويه تربة الأرز المطبوخ والمعكرونة ومنتجات اللحوم والخضروات 1 & ndash5 ساعات الغثيان والمرض والإسهال
العطيفة الصائمية اللحوم والدواجن النيئة اللحوم والدواجن غير المطبوخة جيدًا والحليب الخام والأغذية الملوثة 3 & - 5 أيام من تناول الطعام الملوث الحمى والألم الشديد والإسهال
كلوستريديوم البوتولينوم (نادر جدا) تربة اللحوم المعالجة المعلبة والخضروات المعالجة الخاطئة واللحوم المملحة والأسماك النيئة 1 & ndash7 أيام يؤثر على الرؤية ويسبب الشلل ويمكن أن يكون قاتلاً
المطثية الحاطمة البيئة مفاصل كبيرة من مرق اللحم المعاد تسخينها 8 & ndash24 ساعة الغثيان والألم والإسهال
الإشريكية القولونية وندش
بكتريا قولونية سلالة O157: H7 سيئة للغاية ويمكن أن تكون قاتلة
أمعاء كل البشر والحيوانات مياه ملوثة ، حليب ، لحم مطبوخ بشكل غير كاف ، أغذية ملوثة 3 & ndash4 أيام الالتهاب والمرض والإسهال
الليسترية المستوحدة في كل مكان الأجبان الطرية ، ومنتجات الطهي الباردة المعبأة مسبقًا يختلف الحمى والصداع وتسمم الدم والتهاب السحايا
السالمونيلا أمعاء الطيور والثدييات بما في ذلك البشر - تنتشر عن طريق البراز في الماء والغذاء الدواجن والبيض ومنتجات البيض الخام والخضروات 6 & ndash48 ساعة الإسهال والمرض والصداع
المكورات العنقودية الذهبية جلد وأنوف الحيوانات والبشر منتجات حليب اللحم المقدد غير المبردة والأغذية المعالجة 2 و - 6 ساعات المرض والألم والإسهال في بعض الأحيان

نظرة متعمقة على البكتيريا المسببة للتسمم الغذائي

كامبيلوباكتر

البكتيريا كامبيلوباكتر هو جزء من النباتات الطبيعية التي تعيش في أمعاء الدجاج السليم والحيوانات الأخرى. في المصنع عندما يتم قتل الدجاجة والتهاب محتوياتها من أمعائها ، بما في ذلك كامبيلوباكتر، يمكن أن تتلامس مع جلد الطيور و rsquos. هذا يعني أن لحم الدجاج النيء يمكن أن يتلوث كامبيلوباكتر.

كيف تتأكد من أن الدجاج آمن للأكل؟

كامبيلوباكتر حساس للحرارة ، لذا فإن طهي الدجاج بشكل صحيح سيقتله ويجعل اللحم آمنًا للأكل. إذا تم تقديم الدجاج غير مطبوخ جيدًا ، فحينئذٍ كامبيلوباكتر يمكن أن يعيش ويؤكل مع الدجاج. بعد ابتلاع البكتيريا تتكاثر داخل الأمعاء وتسبب المرض المعروف باسم التسمم الغذائي. يستغرق ظهور أعراض الإسهال وتقلصات المعدة والحمى حوالي 3 أيام. يستمر المرض ما بين يومين وأسبوع.

التلوث المتبادل هو نقل الميكروبات من الأطعمة النيئة إلى الأطعمة الجاهزة والمطبوخة ، ويمكن أن يحدث عن طريق:

  • تلامس أو تناثر الطعام النيء على الطعام المطبوخ
  • معدات أو أسطح ملامسة الطعام النيء التي تستخدم بعد ذلك للطعام المطبوخ
  • أو الأشخاص الذين يلمسون الطعام النيء بأيديهم ثم يتعاملون مع الطعام المطبوخ.

لمنع انتقال التلوث ، من المهم الحفاظ على نظافة المطبخ الجيدة مثل تخزين الطعام المطبوخ والنيء بشكل منفصل والنظافة الشخصية الجيدة عن طريق غسل اليدين بشكل صحيح وربط الشعر للخلف.

المفسدين

عندما تنمو الميكروبات على الطعام ، سرعان ما تشم رائحة كريهة ، أو تبدو لزجة ، أو تغير لونها ، أو تتذوق طعمًا فظيعًا أو حتى تحصل على طلاء فروي وغير صالح للأكل. اكتشف سبب هذا.

منتجين

تخمر الميكروبات السكر لتوليد الطاقة لنفسها - لحسن الحظ بالنسبة لنا ، يمكن صنع طعام مثل الخبز والزبادي عن طريق التخمر الميكروبي.

الميكروبات وجسم الإنسان

هل تساءلت يومًا لماذا عندما نكون محاطين بالميكروبات ، لا نكون مرضى طوال الوقت؟

الميكروبات والهواء الطلق

تتمثل وظيفة الميكروبات كمعالجات كيميائية صغيرة في الحفاظ على دورات حياة الكوكب.


تصنيف الكائنات الدقيقة

يتم تصنيف الكائنات الدقيقة إلى فئات تصنيفية لتسهيل البحث والاتصال.

أهداف التعلم

قيم كيف غيرت الحياة المبكرة الأرض

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • يتغير نظام التصنيف باستمرار مع تقدم التكنولوجيا.
  • يشتمل أحدث نظام تصنيف على خمس ممالك مقسمة إلى فئة ، وفئة ، وترتيب ، وعائلة ، وجنس ، وأنواع.
  • يتم تعيين اسم علمي للكائنات الدقيقة باستخدام التسمية ذات الحدين.

الشروط الاساسية

  • بصمة الحمض النووي: طريقة لعزل ورسم خرائط تسلسل DNA للخلية للتعرف عليها.

تشتهر الحياة على الأرض بتنوعها. في جميع أنحاء العالم ، يمكننا أن نجد ملايين عديدة من أشكال الحياة المختلفة. يساعد التصنيف البيولوجي في تحديد كل شكل وفقًا للخصائص المشتركة (أوجه التشابه) باستخدام مجموعة من القواعد وتقدير لمدى ارتباطه الوثيق بسلف مشترك (علاقة تطورية) بطريقة لإنشاء ترتيب. من خلال تعلم التعرف على أنماط معينة وتصنيفها إلى مجموعات محددة ، يكون علماء الأحياء أكثر قدرة على فهم العلاقات الموجودة بين مجموعة متنوعة من الأشكال الحية التي تسكن الكوكب.

تصنيف الإشريكية القولونية: المجال: البكتيريا ، المملكة: Eubacteria، Phylum: Proteobacteria، Class: Gammaproteobacteria، Order: Enterobacteriales، Family: Enterobacteriaceae، جنس: Escherichia، الأنواع: E. coli.

المجموعة الأولى والأكبر والأكثر شمولاً والتي يتم تصنيف الكائنات ضمنها تسمى المجال ولها ثلاث مجموعات فرعية: البكتيريا ، والأركيو ، وحقيقيات النوى. تحدد هذه المجموعة الأولى ما إذا كان الكائن الحي هو بدائيات النوى أو حقيقيات النوى. تم اقتراح المجال من قبل عالم الأحياء الدقيقة والفيزيائي كارل ووز في عام 1978 ويستند إلى تحديد أوجه التشابه في تسلسل الحمض النووي الريبي الريبوزومي للكائنات الحية الدقيقة.

ثاني أكبر مجموعة تسمى مملكة. تم وصف خمس ممالك رئيسية وتشمل بدائيات النوى (على سبيل المثال ، الأثرية والبكتيريا) ، البروتوكتيستا (مثل البروتوزوا والطحالب) ، والفطريات ، والنباتات ، والحيوانات. تنقسم المملكة أيضًا إلى شعبة أو قسم ، وطبقة ، وترتيب ، وعائلة ، وجنس ، وأنواع ، وهي أصغر مجموعة.

يسمى علم تصنيف الكائنات الحية التصنيف وتسمى المجموعات المكونة للتسلسل الهرمي للتصنيف التصنيف. يتكون التصنيف من تصنيف الكائنات الحية الجديدة أو إعادة تصنيف الكائنات الموجودة. يتم التعرف على الكائنات الحية الدقيقة علميًا باستخدام التسمية ذات الحدين باستخدام كلمتين تشيران إلى الجنس والأنواع. الأسماء المخصصة للكائنات الحية الدقيقة باللاتينية. يتم دائمًا تكبير الحرف الأول من اسم الجنس. تم دعم تصنيف الكائنات الحية الدقيقة إلى حد كبير من خلال دراسات الأحافير ومؤخرًا عن طريق تسلسل الحمض النووي. طرق التصنيف تتغير باستمرار. أكثر الطرق المستخدمة على نطاق واسع لتصنيف الميكروبات هي الخصائص المورفولوجية ، والتلطيخ التفاضلي ، والاختبار الكيميائي الحيوي ، وبصمات الحمض النووي أو تكوين قاعدة الحمض النووي ، وتفاعل البوليميراز المتسلسل ، ورقائق الحمض النووي.


التعلم من أصغر النظم البيئية على الأرض (Kavli Hangout)

ساهم آلان براون ، الكاتب والمدون في مؤسسة كافلي ، بهذا المقال في موقع لايف ساينس أصوات الخبراء: افتتاحية ورؤى أمبير.

من داخل أجسامنا إلى قاع المحيط ، تزدهر الميكروبيوم - مجتمعات البكتيريا والكائنات وحيدة الخلية الأخرى - في كل مكان في الطبيعة. نشأت منذ 3.8 مليار سنة على الأقل ، حيث شكلوا كوكبنا وخلقوا غلافه الجوي الغني بالأكسجين. بدونهم ، لا يمكن أن توجد الحياة على الأرض.

ومع ذلك ، لا نعرف إلا القليل عن الأعمال الداخلية لأصغر النظم البيئية وأكثرها تعقيدًا في الطبيعة.

لدى الميكروبيوم الكثير لتعليمنا إياه. من خلال تعلم كيفية تفاعل أعضاء الميكروبيوم مع بعضهم البعض ، قد يكتشف العلماء الكيمياء الخضراء المبتكرة والمستحضرات الصيدلانية المنقذة للحياة ، أو يتعلمون كيفية الحد من عدوى المستشفيات ، ومحاربة أمراض المناعة الذاتية ، وزراعة المحاصيل بدون أسمدة أو مبيدات حشرية.

إن التعقيد الهائل للميكروبيومات يجعل من الصعب دراستها بالوسائل الكيميائية الحيوية التقليدية. يوفر علم النانو مجموعة مختلفة ومكملة من الأدوات التي تعد بفتح نافذة على هذا العالم الخفي. [عرض تقنية النانو للميكروبيوم]

في وقت سابق من هذا الشهر ، استضافت مؤسسة كافلي Google Hangout مع اثنين من الرواد في التطبيقات الناشئة لعلم النانو لدراسة الميكروبيوم. ناقشوا إمكانات المناطق الأحيائية الطبيعية ، ولماذا يصعب فهمها ، وكيف يمكن أن يساعدنا علم النانو في الكشف عن أسرار الميكروبيوم.

انضم إلى المحادثة:

أوين برودي ، عالم في قسم البيئة في مختبر لورانس بيركلي الوطني. لقد كان جزءًا من الفريق الذي ابتكر جهازًا قادرًا على تحديد آلاف الأنواع البكتيرية الموجودة في الميكروبيوم ، ويقوم حاليًا بتطوير طرق لدمج البيانات من العديد من أنواع أدوات القياس المختلفة في صورة أكثر تماسكًا لتلك النظم البيئية.

جاك جيلبرت هو باحث رئيسي في قسم العلوم البيولوجية بمختبر أرجون الوطني وأستاذ مشارك في علم البيئة والتطور في جامعة شيكاغو. لقد درس الميكروبيومات في المستشفيات ويعمل على طرق استخدام الهياكل النانوية التي تحتوي على البكتيريا لمساعدة الأطفال على محاربة الأمراض المناعية.

يوجد أدناه نسخة معدلة من مناقشتهم. تم إجراء تعديلات وتغييرات من قبل المشاركين لتوضيح التعليقات المنطوقة المسجلة أثناء البث المباشر عبر الويب. لعرض المناقشة والاستماع إليها بملاحظات غير معدلة ، يمكنك مشاهدة الفيديو الأصلي.

مؤسسة كافلي: لنبدأ بسؤال واضح ، ما هو بالضبط الميكروبيوم؟

أوين برودي: الميكروبيوم هو ارتباط بين الكائنات الحية داخل نظام بيئي. يمكنك التفكير في النظام البيئي للميكروبات بنفس الطريقة التي تفكر بها في النظام البيئي الأرضي ، مثل غابة استوائية ، أو أرض عشبية ، أو شيء من هذا القبيل. إنه اتصال بين الكائنات الحية التي تعمل معًا للحفاظ على وظيفة النظام.

جاك جيلبرت: نعم فعلا. في الميكروبيوم ، تتجمع البكتيريا والعتائق (كائنات وحيدة الخلية تشبه البكتيريا) والفيروسات والفطريات والكائنات أحادية الخلية الأخرى معًا كمجتمع ، تمامًا مثل سكان المدينة. تلعب هذه الكائنات والأنواع المختلفة أدوارًا مختلفة. معًا ، ينشئون خاصية ناشئة ، وهو شيء يفعله المجتمع بأكمله معًا لتسهيل التفاعل أو الاستجابة في البيئة.

TKF: ما مدى تعقيد هذه الميكروبات؟ هل هم مثل الغابات الاستوائية؟ هل هم أكثر تعقيدًا وأقل تعقيدًا؟

JG: يتضاءل تنوع الحياة حقيقية النواة - جميع الحيوانات والنباتات الحية التي يمكنك رؤيتها - إلى جانب تنوع الحياة الميكروبية. هذه البكتيريا ، هذه العتائق ، هذه الفيروسات - كانت موجودة على الأرض منذ 3.8 مليار سنة. إنهم منتشرون للغاية ، لقد استعمروا كل مكان على هذا الكوكب.

لقد شكلوا هذا الكوكب. سبب وجود الأكسجين في الغلاف الجوي هو الميكروبات. قبل أن يبدأوا في التمثيل الضوئي للضوء وتحويله إلى كتلة حيوية ، كان الغلاف الجوي في الغالب عبارة عن ثاني أكسيد الكربون. سبب وجود النباتات والحيوانات على الأرض هو البكتيريا. تنوع كل النباتات والحيوانات - كل ما هو حي اليوم يمكنك رؤيته بأعينك - هذه نقطة في محيط التنوع الذي يضرب به المثل الموجود في عالم البكتيريا والميكروبات. [هل يمكن أن تؤثر الميكروبات الموجودة في الأمعاء على الدماغ؟]

إ.ب .: نميل إلى التفكير في الأرض على أنها كوكب بشري وأننا الكائن الأساسي ، أو أنواع ألفا. لكننا حقًا ركاب ، نحن فقط نفجر على كوكب ميكروبي. نحن أحدث الإضافات.

TKF: كلاكما الشمع شاعري جدا حول هذا الموضوع. ومع ذلك فنحن لا نعرف سوى القليل عن الميكروبيوم. لماذا يصعب فهم ما يجري في هذه النظم البيئية؟

إ.ب .: استعصى جاك على ذلك. المشكلة الأولى هي أن الميكروبيومات صغيرة جدًا. لا يمكننا رؤيتهم ، ومن الصعب جدًا فهم كيفية عمل الأشياء عندما لا تتمكن من رؤيتها. لذلك هناك حاجة إلى أدوات لتتمكن من رؤية هذه الكائنات الحية.

نحن أيضا لا نستطيع زراعتها. من الصعب جدًا إحضارها من النظام البيئي الطبيعي إلى المختبر للدراسة. ربما أقل من واحد في المائة ، اعتمادًا على النظام البيئي ، يمكن زراعته فعليًا على وسائط النمو في المختبر حتى نتمكن من إجراء التجارب وفهم الوظائف التي يقومون بها. هذا يترك 99 في المائة - الغالبية العظمى من الميكروبات على الأرض ومعظم نظمها البيئية - غير معروفة لنا ، بصرف النظر عن توقيعات الحمض النووي وأشياء من هذا القبيل.

الآن ، كان جاك رائدًا في تحليل الحمض النووي. عندما تنظر إلى بصمات الحمض النووي من هذه البيئات ، هناك كل هذه الكائنات الحية الجديدة ، والبروتينات الجديدة ، والوظائف الجديدة التي لم نرها حقًا من قبل. وقد سمي هذا بالمادة المظلمة الميكروبية للأرض. تمامًا مثل المادة المظلمة والطاقة في الكون ، لم يكن هذا معروفًا لنا ، ولكن من المهم للغاية أن يستمر الكوكب - والبشر - في العمل.

TKF: إذن ، ما الذي يجعل من الصعب جدًا زراعة هذه الميكروبات في طبق بتري؟

إ.ب .: إنهم صعبون للغاية. يمكنك التفكير في الأمر بهذه الطريقة. لا يحبون تناول الطعام الذي نقدمه لهم ، في كثير من الحالات. يأكلون أشياء لا نعرف أنهم يستطيعون تناولها. يتنفسون أشياء لا نعرف أنها تستطيع التنفس.

نتنفس الأكسجين ، ويتنفسون الأكسجين ، لكنهم أيضًا يتنفسون النترات ، والحديد ، والكبريت ، وحتى ثاني أكسيد الكربون. من الصعب للغاية الحصول على التركيزات والتركيبات الصحيحة لما يأكلونه ويتنفسونه.

في بعض الحالات ، حتى لو تمكنت من تحقيق ذلك ، فقد يكون هناك شيء يحتاجون إليه من عضو آخر في النظام البيئي. قد يوفر هذا العضو عنصرًا غذائيًا أساسيًا أو عاملًا مساعدًا لهم في النمو.

لذا فإن الحصول على كل تلك التباديل والتركيبات الممكنة أمر صعب للغاية. يعمل الكثير من الناس على ذلك ، وهناك الكثير من الخبرة التي يتم توظيفها في هذا ، لكنها صعبة للغاية ومعقدة.

JG:& أمبير ؛ هذه نقطة مثيرة للاهتمام. أنا أشبهه بوجود خباز. كما تعلم ، إذا كان لديك خباز في مجتمع بشري ، فإن الخباز يحتاج إلى شخص يمكنه صنع الدقيق ، شخص يمكنه تقديم القليل من الخميرة ، وشخص يشتري الخبز. هم موجودون كشبكة من الأفراد الذين يعيشون في مجتمع.

إذا أخرجت الخباز من المجتمع ، فلن يتمكن من صنع الخبز وبالتالي لم يعد خبازًا. تقلل إزالة ميكروب من مجتمعه من احتمالية قدرته على أداء الأدوار والمهام التي يقوم بها في تلك البيئة.

لذلك يبدو الأمر كما لو أنك لا تريد محاولة تنمية هذه الأشياء في عزلة. لأنه في حين أن عزلهم يجعل عملنا كعالم ميكروبيولوجي أسهل ، فإنه من الصعب أيضًا فهم ما يفعلونه بالفعل في البيئات التي يعيشون فيها. لا يمكننا معرفة ذلك بمعزل عن الآخرين لأنهم لاعبون في المجتمع.

TKF: ما هي بعض الأدوات التي يمكننا استخدامها اليوم لفحص الميكروبيوم؟ هل هناك حالة من الفن؟

JG: لذلك سأتولى ذلك. أعني أن هذا مجال ديناميكي متطور للغاية. إنه ليس مجالًا حيث يبدو أن الجميع يرتاحون إلى أمجادهم.

لفهم الميكروبات ، لدينا عدة أدوات متاحة لنا. إحدى هذه الأدوات هي علم الجينوم ، لذا يمكننا تسلسل جينوم البكتيريا والعتيقة والفيروسات والفطريات ، تمامًا كما فعلنا مع الجينوم البشري.

والثاني هو الترنسكريبتوم ، الذي ينظر إلى الحمض النووي الريبي ، وهو جزيء عابر ينتج الخلية عن طريق ترجمة ما في الجينوم إلى بروتينات. هذا مفيد ، لأنه يخبرنا عن الجينات التي يتم تشغيلها وإيقافها عندما نضع تلك الميكروبات في ظروف مختلفة.

ثم لدينا البروتينات ، البروتينات التي تشكل الخلية في الواقع. إنها الإنزيمات التي تمكن الكائن الحي من التفاعل مع بيئته ، واستهلاك طعامه ، وتنفس ثاني أكسيد الكربون ، والأكسجين أو الحديد ، وما إلى ذلك.

ثم لديك المستقلب ، جزيئات التمثيل الغذائي التي تستهلكها الكائنات الحية كغذاء وتنتج كمخلفات.

الجينوم والنسخة والبروتيوم والمستقلب هي أربعة من الأدوات الموجودة في صندوق الأدوات لدينا والتي يمكننا استخدامها بالفعل لفحص عالم الميكروبات. لكنها ليست بأي حال من الأحوال الحد من أدواتنا أو أهدافنا. لدينا طموحات تتجاوز مجرد فحص تلك المكونات. تقوم Eoin بتطوير بعض هذه الأشياء ، وربما Eoin ، هل تريد القفز إليها الآن؟

إ.ب .: نعم ، أود أن أضيف إلى ذلك. التحدي المتمثل في فهم الميكروبيوم ، وحتى الميكروبات الفردية ، هو أنها صغيرة جدًا. إنها معقدة وصغيرة ، لذا فإن فهم نشاطها - النسخ أو البروتينات أو المستقلبات - على النطاق الذي توجد فيه ، يعد أمرًا صعبًا للغاية.

يتم تطوير جميع التقنيات التي ذكرها جاك مع وضع كائنات أكبر في الاعتبار. إن تقليص حجمها للتعامل مع حجم الميكروبات ، ثم زيادة إنتاجيتها للتعامل مع تعقيد الميكروبات ، يمثل تحديًا كبيرًا.

سأعطيك مثالا. عندما تنظر إلى نشاط نظام بيئي ، على سبيل المثال غابة استوائية ، فإنك تنظر إلى توزيع الأشجار والحيوانات ، وتبحث عن الارتباط بين النباتات والحيوانات.

لذلك إذا كنت تريد فهم الحشرات ، فلديك مساحة في ذهنك. تعتقد ، "هذا يعيش بالقرب من هذا. إنه يتفاعل في هذه المنطقة." إذن هناك تفاعل ، ارتباط أساسي بين هؤلاء الأعضاء في النظام البيئي.

كانت الطريقة التي نظرنا بها عادةً إلى الميكروبيوم - على الرغم من أن هذا يتغير الآن - هي خلط الغابة بأكملها في الخلاط. ثم نقوم بتسلسل كل الحمض النووي ، وننظر إلى الحمض النووي الريبي والبروتينات ، والمستقلبات.

ثم نحاول أن نعود ونقول ، "هذه الشجرة تتفاعل مع هذه الحشرة." بينما ، في الواقع ، تلك الشجرة تبعد مئات أو آلاف الكيلومترات عن تلك الحشرة ، ولا يرون بعضهم البعض أبدًا.

هذه هي المشكلة التي نواجهها في الميكروبيوم. عندما نمزج تلك الكائنات لفحص الحمض النووي ، والحمض النووي الريبي ، والبروتينات ، والمستقلبات ، نتخلص من هذا التركيب المكاني وارتباطاته. ونفقد أهمية الفضاء من حيث تسهيل التفاعلات. [عرض تقنية النانو للميكروبيوم (طاولة كافلي المستديرة)]

لذا ، حقًا ، أعتقد أن الموجة التالية من أبحاث الميكروبيوم يجب أن تستهدف هذا النشاط الميكروبي والتفاعلات على نطاق الميكروب. هل يرون بعضهم البعض؟ هل يتفاعلون وكيف يتفاعلون؟ ما هي المواد الكيميائية التي يتبادلونها ، وفي أي ظروف؟ أعتقد أن هذا هو التحدي الحقيقي. لهذا السبب نتحدث إلى مؤسسة كافلي ، لأن هذا هو المكان الذي يأتي فيه علم النانو.

TKF: هذا انتقال ممتاز إلى سؤالي التالي: كيف نستخدم علم النانو للتعرف على الميكروبيوم؟ على سبيل المثال ، هل يمكننا استخدام بعض المجسات النانوية نفسها التي نطورها لدراسة الدماغ ، على سبيل المثال ، للتحقيق في الميكروبيوم في المحيط أو التربة؟

إ.ب .: أعتقد أن هناك بعض أوجه التشابه المثيرة للاهتمام. أعني ، يمكنك التفكير في الدماغ على أنه شبكة معقدة للغاية من الخلايا العصبية. تحاول مبادرة BRAIN رسم خريطة لتلك الخلايا العصبية ومتابعة نشاطها.

وبالمثل ، فإن الميكروبيوم عبارة عن شبكة من الكائنات الحية المتفاعلة التي تعمل وتنطفئ. تعتبر الاتصالات وهيكل هذه الشبكة مهمة للغاية لعمل النظام ، تمامًا كما هو الحال بالنسبة لعمل الدماغ.

بالنسبة لمبادرة الدماغ ، اجتمع الناس وقالوا ، "حسنًا ، ما الذي يتعين علينا القيام به للنظر إلى الشحنات الكهربائية والتدفق الكهربائي عبر الخلايا العصبية ، بشكل غير باضع ، وفي الوقت الفعلي؟" وقد توصلوا إلى بعض التقنيات ، التي يمكن أن تقوم بالاستشعار عن بعد على نطاق صغير جدًا ، ومشاهدة كيف يتغير النظام بشكل غير موسع.

لذلك ، تتمثل إحدى طرق فهم الدماغ في استخدام التصوير الخارجي ، وهناك نهج آخر يتمثل في تضمين أجهزة الاستشعار.

في مبادرة BRAIN يتم تطوير بعض أجهزة الاستشعار هنا في مختبر بيركلي وفي أماكن أخرى تستخدم تقنية RFID - هوية تردد الراديو - التكنولوجيا. إنها تشبه العلامات المستخدمة لتتبع حاويات الشحن والبضائع في المتاجر وأشياء من هذا القبيل. كلاهما ينقل المعلومات ويحصد الطاقة من الترددات الراديوية ، لذا فهي أجهزة مستقلة. أعتقد أن التحدي الآن هو ربط هذه التكنولوجيا بأجهزة استشعار يمكنها مراقبة شيء ما في البيئة وإرسال هذه المعلومات بشكل مستقل - لا تحتاج إلى بطاريات - إلى أجهزة الاستقبال. بعد ذلك ، إذا تم توزيع هذه المستشعرات بطريقة ذكية ، تمامًا كما هو الحال مع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، فيمكنك تثليث مصدر هذه المعلومات.

كيف يمكنك استخدام هذا لفهم الميكروبيوم؟ حسنًا ، لا تزال المستشعرات التي يتم تطويرها كبيرة الحجم نسبيًا ، حيث يبلغ حجمها حوالي مليمتر مربع واحد. هذا صغير جدًا بالنسبة لنا ، لكنه كبير جدًا بالنسبة للميكروب.

لذا يمكنك التفكير في هذا في التربة. لنفترض أننا نريد أن نفهم ما يحدث عندما ينمو الجذر في التربة. يحفز الجذر الميكروبات ، وهناك عدد أكبر من الميكروبات بالقرب من الجذر بعشر مرات مما يوجد بعيدًا عن الجذر في التربة. لديهم جميعًا مواد كيميائية مختلفة ووظائف مختلفة مهمة جدًا لتغذية وصحة النبات.

إذا كان بإمكانك توزيع مستشعرات صغيرة جدًا في التربة وجعلها تشعر بأشياء مثل الكربون من الجذور أو الأكسجين الذي تستهلكه الميكروبات ، فيمكنك بناء صورة ثلاثية الأبعاد لكيفية تغيير ميكروبيوم التربة وتغييره أثناء تحرك الجذر عبر التربة. هذا مثال واحد على كيفية تطبيق التقدم في المجالات الأخرى ، مدفوعًا بتقنية النانو ، على الميكروبيوم.

TKF: سوف تعتمد مستشعرات RFID هذه على رقائق أشباه الموصلات ، أليس كذلك؟ لذا يمكنك أن تأخذ رقاقة ، وتصنع الكثير منها بثمن بخس ، وتوزعها في التربة ، وتحصل على صورة لا يمكنك الحصول عليها بأي طريقة أخرى؟

إ.ب .: نعم فعلا. هناك مجال ناشئ يسمى الزراعة التنبؤية. إنها مثل الزراعة الشخصية ، حيث لا تكون إضافة الأسمدة ، على سبيل المثال ، في الحقل موحدة. بدلاً من ذلك ، ستقوم بتوصيل السماد إلى المكان المطلوب. يمكنك ري الحقل بالضبط حيث تحتاجه. إذاً لديك هذه الشبكة الضخمة من أجهزة الاستشعار الموزعة المستقلة ، وهذا من شأنه أن يسمح لنا باستخدام الأسمدة بكفاءة أكبر. ثم لن يتم ترشيحها أو فقدها من النظام ، مما يتسبب في تلوث المياه وأشياء من هذا القبيل. هذه الأمثلة ليست على نطاق ميكروبي ، ولكن العمليات الميكروبية تتحكم في توافر هذه الأسمدة وامتصاصها.

TKF: شكرا لك. تمسك بهذه الفكرة وسنعود إليها في غضون لحظات قليلة. في غضون ذلك ، كان جاك يدرس الميكروبيوم في مستشفى جديد ليرى كيف تتطور وتؤثر على انتشار المرض. هل يمكن أن تخبرنا بما تفعله ، وكيف يمكن أن تساعد تكنولوجيا النانو؟

JG: نعم فعلا. كانت الميكروبات الموجودة في المستشفى محط اهتمام الأطباء والباحثين الطبيين لبضع مائتي عام. منذ أن اكتشفنا أن البكتيريا قد تسبب المرض بالفعل ، نحاول القضاء على أكبر قدر ممكن من الحياة الميكروبية.

هذا النموذج يتحول إلى نموذج حيث نحن مهتمون أكثر بمحاولة فهم كيف يمكن للمجتمعات البكتيرية في المستشفى أن تسهل انتشار المرض ومقاومة المضادات الحيوية ، وربما تعزز الصحة أيضًا.

لقد ذهبنا إلى المستشفيات ، وبدقة زمنية عالية جدًا ، نستكشف كيف تتغير مجتمعاتهم البكتيرية بمرور الوقت. لذلك ، بالنظر إلى مقياس من الساعات إلى الأيام ، نحاول أن نفهم كيف - عندما ينتقل المريض إلى غرفة جديدة لإجراء عملية أو للخضوع لإجراء - تؤثر الميكروبات الموجودة بالفعل في تلك الغرفة على نتيجة إقامة المريض في المستشفى. نريد أن نعرف ما إذا كان ذلك يجعلهم أكثر صحة أو مرضًا.

لذلك ، قمنا بفهرسة الميكروبات في هذه المقاييس الدقيقة جدًا. وما نراه هو تبادل بين البكتيريا في الغرفة وداخل جسم المريض.

لكننا اكتشفنا أيضًا أن الغالبية العظمى من البكتيريا التي نربطها عادةً بما يسمى بالعدوى المرتبطة بالرعاية الصحية - مسببات الأمراض التي اعتقدنا أن الناس يكتسبونها أثناء الإقامة في المستشفى - تبدو وكأنها بكتيريا جلبها المرضى إلى المستشفى بأنفسهم. إنها بكتيريا بداخلنا.

تذكر ، لدينا مائة تريليون بكتيريا تعيش بداخلنا. يزنون حوالي رطلين ، أي نفس وزن الدماغ. لذلك إذا كنت تعتقد أن مبادرة الدماغ مهمة ، فربما تكون مبادرة الميكروبيوم مهمة أيضًا ، لأنها تزن نفس وزن الدماغ.

يحتوي الميكروبيوم البشري على الكثير من اللاعبين. معظمهم ودودون لنا ، لكن يمكنهم أيضًا أن ينقلبوا علينا. أشبّه ذلك بأعمال شغب تنتشر في المدينة. كما تعلم ، إذا أخذت الأشياء بعيدًا عن الناس ، فسوف ينتفضون عمومًا ويحاولون الإطاحة بالشيء الذي كان يدعمهم في المقام الأول.

الميكروبات بنفس الطريقة. نعطي المريض في المستشفى المضادات الحيوية والعلاج الإشعاعي لقتل البكتيريا. ثم نقطع أمعائه ونعرض البكتيريا للأكسجين الذي لا تحبه ، ونخيط الأمعاء مرة أخرى. عندما ننظر إلى البكتيريا ، نرى أن البكتيريا التي كانت صديقة في السابق قد بدأت في إحداث شغب. لقد تعرضوا للإهانة مرات عديدة بسبب علاج المريض لدرجة أنهم قرروا أنهم قد اكتفوا. ثم يذهبون ويهاجمون المضيف لاستعادة الموارد التي يتم أخذها منهم.

هذا مهم جدا. يساعدنا فهم إقامة المريض في المستشفى من منظور الميكروبات على تصميم طرق أفضل لعلاج المرضى وتقليل احتمالية تمرد تلك الميكروبات الموجودة بداخلنا ومهاجمتنا وإصابتنا بالمرض.

تساعدنا تقنية النانو في تحقيق نطاق أدق من الدقة البصرية ، لذلك يمكننا أن نرى بالضبط متى ، أثناء إجراء جراحي ، عندما تصبح البكتيريا شريرة وتبدأ في مهاجمة المضيف ، والآليات الجزيئية التي يقوم عليها هذا السلوك.

لدينا مثال رائع وجدناه من خلال وضع مستشعرات حيوية جزيئية نانوية في القناة الهضمية. يقيس مستويات الفوسفات. الفوسفات هو جزيء مهم جدًا يستخدم في تكوين الحمض النووي والبروتينات في أجسامنا وفي خلايا تلك البكتيريا.

عندما ينخفض ​​مستوى الفوسفات إلى ما دون عتبة معينة ، تقوم الميكروبات بتشغيل آلية للحصول على الفوسفات من بيئتها. وأين هو أفضل مصدر للفوسفات؟ إنه في بطانة القناة الهضمية لمضيفهم. لذلك يهاجرون إلى القناة الهضمية ويبدأون في تكسير الخلايا البشرية. نحن نختبر ذلك باعتباره عدوى مُمْرِضة عديدة ، غالبًا ما تقتلنا.

نظرًا لأننا نفهم هذه العملية ، فإننا نطور آليات لإطلاق الفوسفات في الوقت المناسب تمامًا أثناء الجراحة لمنع تلك البكتيريا من التعرض لمثل هذا الحد من الفوسفات. للقيام بإطلاقات الفوسفات الدقيقة ، نقوم بتطوير سقالات تقنية النانو لحمل الفوسفات ، ووضعها في القناة الهضمية أثناء الجراحة. سيؤدي ذلك إلى تقليل احتمالية أن تصبح الميكروبات ممرضة.

TKF: ليس هذا مثيرًا للاهتمام فحسب ، بل إنه يقود أحد مشاهدينا إلى التساؤل عما إذا كان بإمكاننا تعديل الميكروبيوم حتى يتمكنوا من استهداف الأمراض والحالات البشرية الأخرى. هل يمكنهم تجاوز مجرد ضبط مستويات الحموضة أو الفوسفات والقيام بشيء أكثر عدوانية؟

JG: نعم فعلا. الحالة التي حققنا فيها أفضل نجاح هي في علاج الالتهابات المزمنة التي تسببها المطثية العسيرة بكتيريا. عدوى المطثية العسيرة (C. diff) هي عدوى معدية معوية مزمنة. تستخدم علاجاتنا نهج البندقية. نأخذ البكتيريا من شخص سليم ونزرعها في شخص مصاب بعدوى مزمنة بالعدوى. هذا تجاوز عدوى C. diff ، وأسس ميكروبيومًا صحيًا في أمعاء المريض حتى لا يكون مريضًا.

فعل الصينيون هذا منذ حوالي 2000 إلى 3000 سنة. أطلقوا عليها اسم الحساء الأصفر ، وقاموا بإطعام البراز من شخص سليم إلى شخص مريض ، وهذا جعل الشخص المريض بصحة جيدة. لقد أعدنا اكتشاف هذه العملية للتو ، ونقوم الآن بتطبيقها في بيئة أكثر إكلينيكيًا.

حتى الآن ، إنه نهج غير هادف للغاية. ما نحاول القيام به مع ذراعنا البحثية ، American Guts ، والبرامج المرتبطة بالتوحد ، ومرض الزهايمر ، وباركنسون ، هو تحديد أفراد المجتمع البكتيري المعين الذين إما غائبون أو متضخمون في هؤلاء المرضى. ثم نريد استكشاف كيفية تعديلها - ربما نقوم بزرع واحدة مفقودة أو نطرح ظهرًا مفرط النمو ، لجعل ذلك الشخص أكثر صحة.

إ.ب .: أود أن أضيف شيئًا إلى ذلك. هناك تشبيه مثير للاهتمام ، على ما أعتقد ، فيما نقوم به من أجل C. diff - زرع البراز - وبيئة الاستعادة. هذا هو المكان الذي تتخلص فيه من الأنواع النباتية الغازية وتزرع أنواعًا أخرى لتنافس تلك الأنواع النباتية الغازية. إنها نفس العملية بالضبط ، لذا يمكن استخدام نفس المبادئ البيئية والنظرية البيئية المستخدمة في استعادة البيئة في الطب. في بعض الحالات ، قد لا يكون الأمر بسيطًا مثل إزالة كائن حي أو إضافة كائن أو كائنين آخرين. قد تكون وظيفة مجتمعية ، حيث قد نحتاج بالفعل إلى هذا التعقيد حتى نتمكن من منافسة الكائن الحي الذي يسبب المرض.

JG: هذه نقطة مثيرة للاهتمام حقًا. أنا و Eoin عالم بيئي ميكروبي في جوهرنا. بدأت في علم البيئة الميكروبية البحرية ، والآن أعمل في التربة والنباتات والبشر والأمراض. Eoin يفعل الشيء نفسه. ويمكن لكل منا تطبيق المبادئ البيئية للميكروبات على أي بيئة لأن الميكروبات موجودة في كل مكان.

TKF: حسن. لذا ، أيوين ، لدينا سؤالان لك من جمهورنا. الأول يتعلق بالزراعة. يريد المشاهد معرفة ما إذا كان علم النانو يساعدنا في تغيير الميكروبيومات بطرق تغير طريقة نمو النباتات وتخصيبها وحمايتها من الآفات؟

إ.ب .: هذا سؤال رائع ، وأعتقد أنه جاء في الوقت المناسب أيضًا. يبلغ عدد سكان العالم سبعة مليارات يتجهون إلى تسعة ثم 11 مليار نسمة. سوف تنفد الأسمدة لدينا ، وسوف تنفد المساحة لزراعة الطعام ، ونفد من المياه - نحن في حالة جفاف شديدة في كاليفورنيا. هذه هي تحدياتنا ، وإطعام سكان العالم وتوفير الوقود لسكان العالم.

الأشياء التي يمكن أن تفعلها الميكروبات وتكنولوجيا النانو تدور بشكل أساسي حول تحسين مقاومة النباتات للضغوط ، مثل الجفاف. يمكن أن تساعد الميكروبات النباتات في الحصول على الماء. على سبيل المثال ، يمكن أن تزيد الفطريات الفطرية من نظام الجذر ، وتحسن من تحمل الجفاف ، وتحسن التغذية.

يمكننا أيضًا تحديد البكتيريا التي يمكنها إنتاج الأسمدة في النبات أو بالقرب منه. لذلك يمكن للبكتيريا التي يمكنها أخذ النيتروجين من الغلاف الجوي وإصلاح النيتروجين أن تعوض استخدام الأسمدة النيتروجينية ، التي تستهلك الكثير من الطاقة وتسبب الكثير من التلوث لتصنيعها.

يمكن للبكتيريا أيضًا استخراج المعادن المهمة من التربة. يمكن أن تنمو البكتيريا مع النباتات التي تكتسب الفوسفور ، كما قال جاك. يمكننا اختيار البكتيريا بحيث تقوم بتعدين المزيد من الفوسفور أكثر مما تحتاجه وتزويد النبات به.

كل هذه الأشياء ستقلل من اعتمادنا على تعدين الفوسفور من مناجم الشريط أو استخدام خمسة بالمائة من طاقة عالمنا لإنتاج الأسمدة النيتروجينية. أعتقد أنه تحد كبير وكبير.

يمكن استخدام تقنية النانو ، كما ذكرت سابقًا ، لتوصيف هذه الكائنات وفهم كيفية عملها. يمكننا أيضًا بناء أنظمة استشعار لتحديد متى تحد المغذيات من النمو. لذا بدلاً من نشر المغذيات والأسمدة بطريقة غير فعالة للغاية ، يمكننا استخدامها بطريقة هادفة ومحددة للغاية وأكثر استدامة.

TKF: هل يمكننا أن نخطو خطوة أبعد من ذلك ، وربما نستخدم الميكروبات للسيطرة على الآفات؟

إ.ب .: في الواقع ، لقد تم ذلك لفترة طويلة. كما تعلم ، هناك محاصيل معدلة وراثيًا أخذت جينات من الميكروبات التي تستخدم لقتل الحشرات. يمكن القيام بذلك بطريقة أكثر طبيعية ، على سبيل المثال ، عن طريق زراعة هذه البكتيريا مع النباتات ومن المحتمل أن تمنع الحشرات من الرعي والتغذية على النباتات. يمكننا أن نتعلم الكثير من الطبيعة. لقد طورت الطبيعة بالفعل هذه الاستراتيجيات لمكافحة الآفات ، ويمكننا التعلم من ذلك لتصميم وسائل الحماية الخاصة بنا بطريقة أكثر ذكاءً ويمكن التحكم فيها.

TKF: سؤال آخر من المشاهد: هل من الممكن جعل مجتمع ميكروبيوم اصطناعي يقوم بمهمة معينة؟

JG: نعم فعلا. لقد عملنا بالفعل في هذا المجال ، محاولين إنشاء ما نسميه مجتمعًا بسيطًا. هذا مجتمع من الكائنات الحية التي تؤدي مهمة ، مثل إنتاج الأسيتات أو توليد الهيدروجين أو البيوتانول كمصدر محتمل للوقود الحيوي. لذلك نحن ننظر إلى الميكروبات التي تنمو على سطح الكاثودات ، ونأخذ إلكترونات خام من تلك الكاثودات ودمجها مع مصدر ثاني أكسيد الكربون ، مثل الغاز الأزرق من مصنع. نريد إنشاء مجتمع يقود عملية التمثيل الغذائي نحو هدف محدد.

سيأخذ ذلك نهج النمذجة الرياضية. لذا ، فإن النمذجة الأيضية ، تحاول تجميع كيفية تفاعل هذه الميكروبات في الكمبيوتر لإطلاق منتج معين. لذلك ، بهذا المعنى ، أنت بحاجة إلى تقنية النانو لاستشعار العلاقات الأيضية الموجودة بين تلك الكائنات ، بحيث يمكنك هندسة هذا المجتمع نحو إنتاج منتج معين. سيكون هذا مهمًا جدًا لتحقيق نتائج التكنولوجيا الحيوية.

إ.ب .: في الواقع ، يجب أن أقلب هذا السؤال رأسًا على عقب. أود أن آخذ مجتمع ميكروبي طبيعي وأوقفه عن فعل شيء ما ، في حالات معينة.

لنفترض ، على سبيل المثال ، أن لديك ماشية من الماشية. إنها مصدر مهم للميثان العالمي الذي يساهم في الاحتباس الحراري. جزء من ذلك بسبب نظامهم الغذائي ، الذي يوفر طاقة زائدة. ينتج عن ذلك زيادة الهيدروجين ، مما ينتج عنه الكثير من الميثان ، وتطلق الأبقار الكثير من الميثان.

لذا ، هل يمكننا الدخول في استخدام البيولوجيا التركيبية المستهدفة أو أساليب التداخل الكيميائي لوقف إنتاج الميثان؟ لتغيير توازن كرش البقرة ، النظام البيئي الجرثومي لأمعاء البقرة؟ لا يمكننا فقط منع إنتاج الميثان ، ولكن يمكننا تحسين التغذية للحيوان ، لأن الميكروبات هي التي تتحكم في تدفق الطاقة إلى الحيوان من الطعام الذي يأكله.

إنه نظام بيئي معقد ، لكن تعديله على وجه التحديد لصالح الحيوان وفائدة الكوكب ، يمثل تحديًا مثيرًا للاهتمام وهناك أشخاص يعملون على ذلك.

JG: أود أخذ هذا النظام الدقيق وتطبيقه على الفحم ، من أجل إنتاج المزيد من الميثان الذي يمكننا بعد ذلك التقاطه وضخه إلى منازل الناس كوقود حيوي.

TKF: فكرة مثيرة للاهتمام. لدي سؤال آخر من أحد المشاهدين ، وأعتقد جاك أنك من يجيب على هذا السؤال. لديها علاجات تجريبية تتضمن زرع بكتيريا الأمعاء الصحية في الأشخاص المصابين بالتوحد. لماذا قد ينجح هذا؟ وهل سيكون هذا شيئًا سنراه قريبًا؟

JG: تؤثر البكتيريا الموجودة في أمعائنا على السلوك العصبي - الطريقة التي نتصرف بها - من خلال نظام المناعة لدينا. إنها تثير استجابة مناعية معينة في أمعائنا ، والتي تتغذى مرة أخرى على نظامنا العصبي لخلق سلوك مميز معين في دماغنا.

لقد عرفنا هذا في النماذج الحيوانية لعدد من السنوات حتى الآن. لقد بدأنا للتو في فهم إلى أي مدى يمكن أن تُعزى الأمراض العصبية ، مثل التوحد ، ومرض باركنسون ، وحالات مثل الزهايمر ، إلى اضطراب في المجتمع البكتيري في أمعاء شخص ما.

تم إجراء العديد من التجارب على أعداد قليلة جدًا من الأطفال. في العديد من الحالات في أمريكا الجنوبية وعدد آخر في أستراليا ، خضع الأطفال لعملية زرع ميكروبيوم برازي ، وهو مجتمع ميكروبي صحي زرع في أمعائهم.

النتائج متغيرة ، وليست بالضبط شيئًا قد ترغب في تجربته في المنزل. لكنهم يشيرون ، في بعض الحالات ، إلى نتيجة إيجابية حيث يتم تقليل الاضطراب العصبي لدى الطفل ، أو تقليله بشكل كبير.

هناك مجموعات في Cal Tech تنتج البروبيوتيك ، وأنواع معينة من البكتيريا ، يأملون في إضافتها إلى نظام الطفل الغذائي أو وضعها في كبسولة يمكن ابتلاعها.يبدو أن لديهم فائدة في تقليل التشوهات العصبية المرتبطة بالتوحد ، على الرغم من أنهم لا يزالون في أيامهم الأولى.

TKF: هذا يقودك إلى سؤال آخر أردت أن أطرحه عليك. جاك ، أنت تعمل أيضًا على تغليف الميكروبات في نوع من الهياكل النانوية وتطبيقها على المنازل أو المكاتب. آمل أن تعرض هذه المناطق الحيوية الناس لميكروبات تساعد جهاز المناعة لديهم على تطوير مقاومة لهذه المشاكل العصبية. هل يمكن أن تخبرنا عن ذلك؟

JG: نعم ، نحن نعمل على نماذج حيوانية في الوقت الحالي. تخيل إعادة إنشاء الهياكل التي يمكن لهذه الحيوانات التفاعل معها. تخيل أنني قمت ببناء مبنى كان حيًا من الناحية البيولوجية ، حيث كانت الجدران تعج عن عمد بمجتمع ميكروبي صحي.

الآن ، لدينا فكرة محدودة جدًا عما تعنيه الصحة ، ولكن ما نقوم به أساسًا هو إنشاء هياكل ، هياكل ثلاثية الأبعاد قابلة للطباعة ، مشربة بمغذيات معينة. نحن نعمل مع Ramille Shah في جامعة نورث وسترن لإنشاء هيكل ثلاثي الأبعاد يسمح للمجتمع البكتيري بالازدهار.

يمكننا بعد ذلك إدخال هذه الهياكل في قفص فأر. ستعمل البكتيريا المرتبطة بالسطح ثلاثي الأبعاد على استعمار ذلك الفأر ، وتقليل بعض التشوهات التي نراها في ذلك الفأر ، مثل استجابة الحساسية. لذلك كنا نزرع البكتيريا التي يمكن أن تنتج مادة كيميائية ، بمجرد إطلاقها في أمعاء الفأر ، ستشكل مستعمرة وتقلل من احتمالية إصابة هذا الفأر بحساسية تجاه الطعام.

أنا أعمل أيضًا مع كاثي ناجلر في جامعة شيكاغو. نأمل أن نثبت أنه لا يتعين علينا ضخ أطفال ممتلئين بالبروبيوتيك. بدلاً من ذلك ، يمكننا فقط إعادة تصميم المنازل والمدارس وربما مراكز الرعاية النهارية ، بحيث يحصل الأطفال على التعرض الميكروبي المناسب الذي من شأنه أن يعكس كيف كانوا سيكبرون لو كانوا في نظام بيئي طبيعي. نأمل أن يكون هذا هو مستقبل العمارة.

إ.ب .: وكما تعلمون ، كبديل محتمل ، يمكننا إرسال أطفالنا إلى الخارج للعب أكثر.

JG: لك ذالك.

إ.ب .: ليس سيئا.

تابع جميع قضايا ومناقشات أصوات الخبراء - وكن جزءًا من المناقشة - على Facebook و Twitter و Google+. الآراء المعبر عنها هي آراء المؤلف ولا تعكس بالضرورة آراء الناشر. تم نشر هذا الإصدار من المقالة في الأصل على موقع Live Science.


ميكروبيولوجيا المياه

علم الأحياء الدقيقة للمياه يهتم بـ الكائنات الدقيقة التي تعيش في ماء، أو يمكن نقلها من واحد موطن إلى آخر بالماء.

يمكن أن يدعم الماء نمو أنواع عديدة من الكائنات الحية الدقيقة. قد يكون هذا مفيدًا. على سبيل المثال ، تزودنا الأنشطة الكيميائية لبعض سلالات الخميرة بالجعة والخبز. كذلك ، نمو البعض بكتيريا في المياه الملوثة يمكن أن تساعد في هضم السموم من الماء.

ومع ذلك ، فإن وجود الآخرين مرض التسبب في الميكروبات في الماء غير صحي وحتى يهدد الحياة. على سبيل المثال ، البكتيريا التي تعيش في المسالك المعوية للإنسان والحيوانات ذوات الدم الحار الأخرى ، مثل الإشريكية القولونية, السالمونيلا, شيغيلا، و فيبريو، يمكن أن تلوث الماء إذا دخل البراز إلى الماء. تلوث اشعاعى من مياه الشرب مع نوع الإشريكية القولونية المعروف باسم O157: H7 يمكن أن يكون قاتلاً. تلوث إمدادات المياه البلدية لوكرتون ، أونتاريو ، كندا في صيف عام 2000 بسلالة O157: H7 مرض 2000 شخص وقتل سبعة أشخاص.

تحتوي القناة المعوية للحيوانات ذوات الدم الحار أيضًا على فيروسات يمكن أن تلوث الماء وتسبب المرض. تشمل الأمثلة فيروس الروتا والفيروسات المعوية وفيروس كوكساكي.

مجموعة أخرى من الميكروبات المثيرة للقلق في الأحياء الدقيقة المائية هي الكائنات الاوليه. البروتوزوا هما الأكثر إثارة للقلق الجيارديا و كريبتوسبوريديوم. إنهم يعيشون بشكل طبيعي في الأمعاء للحيوانات مثل القندس و الغزال. الجيارديا و كريبتوسبوريديوم تشكل أشكال نائمة وقاسية تسمى الخراجات خلال دورات حياتها. أشكال الكيس مقاومة الكلوروهو الشكل الأكثر شيوعًا لتطهير مياه الشرب ، ويمكن أن يمر عبر المرشحات المستخدمة في كثير معالجة المياه النباتات. إذا تم تناولها في مياه الشرب فإنها يمكن أن تسبب إسهالًا منهكًا وطويل الأمد للبشر ، ويمكن أن تهدد حياة الأشخاص الذين يعانون من ضعف في جهاز المناعة. كريبتوسبوريديوم أدى تلوث مياه الشرب في ميلووكي بولاية ويسكونسن في عام 1993 إلى مرض أكثر من 400000 شخص وقتل 47 شخصًا.

تم العثور على العديد من الكائنات الحية الدقيقة بشكل طبيعي في الطازجة و ماء مالح. وتشمل هذه البكتيريا والبكتيريا الزرقاء والبروتوزوا ، الطحالب، والحيوانات الصغيرة مثل الروتيفر. يمكن أن تكون هذه مهمة في السلسلة الغذائية التي تشكل أساس الحياة في الماء. على سبيل المثال ، يمكن للميكروبات التي تسمى البكتيريا الزرقاء تحويل طاقة التابع الشمس في الطاقة التي يحتاجها للعيش. يتم استخدام الأعداد الوفيرة من هذه الكائنات الحية بدورها كغذاء للحياة الأخرى. تعد الطحالب التي تنمو في الماء أيضًا مصدرًا غذائيًا مهمًا لأشكال الحياة الأخرى.

تعيش مجموعة متنوعة من الكائنات الحية الدقيقة في المياه العذبة. منطقة المسطح المائي بالقرب من الخط الساحلي (المنطقة الساحلية) مضاءة جيدًا وضحلة ودافئة من مناطق المياه الأخرى. الطحالب والبكتيريا التي تستخدم في التمثيل الضوئي ضوء حيث تزدهر الطاقة في هذه المنطقة. وبعيدا عن الشاطئ توجد المنطقة اللينة. تعيش هنا أيضًا ميكروبات التمثيل الضوئي. مع تعمق المياه ، تصبح درجات الحرارة أكثر برودة و الأكسجين ينخفض ​​التركيز والضوء في الماء. الآن ، لا تزدهر الميكروبات التي تتطلب الأكسجين. بدلا من ذلك ، الأرجواني والأخضر كبريت تهيمن البكتيريا التي يمكن أن تنمو بدون أكسجين. أخيرًا ، في قاع المياه العذبة (المنطقة القاعية) ، تبقى القليل من الميكروبات على قيد الحياة. البكتيريا التي يمكن أن تعيش في غياب الأكسجين وأشعة الشمس ، مثل البكتيريا المنتجة للميثان ، تزدهر.

تقدم المياه المالحة بيئة مختلفة عن الكائنات الحية الدقيقة. الأعلى ملح تركيز أعلى الرقم الهيدروجيني، و اقل العناصر الغذائية، على صلة قربى ب مياه عذبة، هي قاتلة للعديد من الكائنات الحية الدقيقة. لكن البكتيريا المحبة للملح (الملحية) تكثر بالقرب من السطح ، وتوجد بكثرة بعض البكتيريا التي تعيش أيضًا في المياه العذبة (أي ، الزائفة و فيبريو). أيضًا ، في عام 2001 ، أظهر الباحثون أن الشكل القديم للحياة الميكروبية المعروف باسم بدائيات هي واحدة من أشكال الحياة السائدة في محيط. لم يُعرف بعد دور البكتيريا البدائية في السلسلة الغذائية للمحيطات ، ولكن يجب أن يكون ذا أهمية حيوية.

الكائنات الحية الدقيقة الأخرى الموجودة في المياه المالحة هي نوع من الطحالب المعروفة باسم دينوفلاجيلاتس. يمكن للنمو السريع وتكاثر دينوفلاجيلات أن يحول الماء إلى اللون الأحمر. هذا "المد الأحمر" يستنزف الماء من العناصر الغذائية والأكسجين ، مما قد يسبب الكثير سمكة حتى الموت. كذلك ، يمكن أن يصاب البشر بالمرض عن طريق تناول الأسماك الملوثة.

يمكن أن يكون الماء أيضًا وسيلة مثالية لنقل الكائنات الحية الدقيقة من مكان إلى آخر. على سبيل المثال ، من المعروف الآن أن المياه التي يتم حملها في أجسام السفن لتثبيت السفن أثناء رحلاتها البحرية هي وسيلة لنقل الكائنات الحية الدقيقة في جميع أنحاء العالم. واحدة من هذه الكائنات ، تسمى بكتيريا ضمة الكوليرا، يسبب الإسهال الذي يهدد الحياة لدى البشر.

عادة ما يتم معالجة مياه الشرب لتقليل مخاطر التلوث الجرثومي. إن أهمية معالجة مياه الشرب معروفة منذ قرون. على سبيل المثال ، في عصور ما قبل المسيحية ، كان تخزين مياه الشرب في أباريق مصنوعة من فلز كان يمارس. الآن ، التأثير المضاد للبكتيريا لبعض المعادن معروف. وبالمثل ، فإن غليان مياه الشرب ، كوسيلة لحماية المياه ، معروف منذ زمن بعيد.

المواد الكيميائية مثل الكلور أو مشتقات الكلور كانت وسيلة شائعة لقتل البكتيريا مثل الإشريكية القولونية في الماء منذ العقود الأولى من القرن العشرين. العلاجات الأخرى لقتل البكتيريا التي أصبحت شائعة بشكل متزايد تشمل استخدام غاز يسمى الأوزون وتعطيل المادة الوراثية للميكروب باستخدام الأشعة فوق البنفسجية. يمكن أيضًا استبعاد الميكروبات جسديًا من الماء عن طريق تمرير الماء عبر مرشح. تحتوي المرشحات الحديثة على ثقوب صغيرة جدًا بحيث يمكن حتى لجزيئات صغيرة مثل الفيروسات أن تحاصر.

من الجوانب المهمة في علم الأحياء الدقيقة للمياه ، خاصة بالنسبة لمياه الشرب ، اختبار المياه للتأكد من أنها آمنة للشرب. يمكن إجراء اختبار جودة المياه بعدة طرق. يقيس أحد الاختبارات الشائعة تعكر الماء. يعطي التعكر مؤشرا على كمية المواد المعلقة في الماء. عادة ، إذا كانت المواد مثل تربة موجود في الماء ثم الكائنات الحية الدقيقة ستكون موجودة أيضًا. يمكن أن يؤدي وجود جزيئات حتى صغيرة مثل البكتيريا والفيروسات إلى تقليل نقاء الماء. التعكر هو طريقة سريعة للإشارة إلى ما إذا كانت جودة المياه تتدهور ، وبالتالي ما إذا كان ينبغي اتخاذ إجراء لتصحيح مشكلة المياه.


كلمات لتعرف:

حموضة - تركيز الحمض في مادة
الطحالب - كائن ينتمي إلى مجموعة تعيش بشكل رئيسي في الماء وتشمل الأعشاب البحرية. تختلف الطحالب عن النباتات في عدم وجود أوراق أو جذور أو سيقان حقيقية
مضادات حيوية - مادة منتجة بشكل طبيعي تقتل البكتيريا ، ولكن ليس لها تأثير ضد الفيروسات ، وتستخدم كدواء
بكتيريا - الكائنات الحية الدقيقة أحادية الخلية
المستعمرات - مجموعات من الكائنات الحية من نفس النوع تعيش معًا وتعتمد على بعضها البعض
الأمراض - الحالات الطبية لدى البشر أو النباتات أو الحيوانات التي لا تكون نتيجة مباشرة لإصابة جسدية
بيئة - جميع العوامل المؤثرة في حياة وأنشطة الناس والنباتات والحيوانات
الفطريات - جمع الفطريات. كائن وحيد الخلية أو متعدد الخلايا يتكاثر بواسطة الجراثيم ويعيش عن طريق امتصاص العناصر الغذائية من المادة العضوية.
يولد - لإحداث شيء ما أو تأثيره
الالتهابات - انتقال الكائنات الدقيقة المعدية من شخص إلى آخر أو الكائنات الحية الدقيقة المعدية
معد - مرض يمكن أن ينتقل من شخص إلى آخر
غير عضوي - تتكون من معادن وليس من مواد حية
الكائنات الدقيقة - كائن حي صغير مثل الفيروس أو البروتوزوان أو البكتيريا التي لا يمكن رؤيتها إلا تحت المجهر
المعادن - مادة تحدث بشكل طبيعي في الصخور وفي الأرض ولها مظهرها المميز وتركيبها الكيميائي
طفيليات - نبات أو حيوان يعيش على أو في كائن حي مضيف آخر ، عادة ما يكون أكبر ، بطريقة تضر أو ​​لا تعود بالنفع على المضيف
جسيم - قطعة صغيرة جدًا من شيء ما
الكائنات الاوليه - كائن وحيد الخلية يمكنه التحرك
كروي - على شكل كرة
جراثيم - بنية صغيرة أحادية الخلية تنتجها نباتات بدون بذور وطحالب وفطريات وبعض الكائنات الأولية القادرة على التطور لتصبح فردًا جديدًا
استدامة - لجعل شيء ما يستمر في الوجود
الفيروسات - ميكروب بسيط للغاية يتطلب تكاثر مضيف


الحصول على ثقافة نقية من الكائنات الحية الدقيقة: 6 طرق

توضح النقاط التالية أهم ست طرق مستخدمة للحصول على استنبات نقي للكائنات الحية الدقيقة. الطرق هي: 1. طريقة لوحة الخط 2. طريقة صب لوحة 3. طريقة انتشار لوحة 4. طريقة التخفيف التسلسلي 5. طرق عزل الخلية الواحدة 6. طريقة الثقافة الإثراء.

1. طريقة لوحة الخط:

تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لعزل الثقافات النقية للبكتيريا. يتم وضع كمية صغيرة من المزرعة المختلطة على طرف حلقة / إبرة التلقيح ويتم رسمها عبر سطح وسط أجار (الشكل 16.13). الشرائط المتتالية & # 8220 & # 8221 & # 8221 اللقاح بما فيه الكفاية ويتم فصل الكائنات الحية الدقيقة عن بعضها البعض.

يُنصح عادةً بتقطيع لوحة ثانية بنفس الحلقة / الإبرة دون إعادة التوطين. يتم تحضين هذه الصفائح للسماح بنمو المستعمرات. المبدأ الأساسي لهذه الطريقة هو أنه من خلال وضع الخطوط ، يتم إنشاء تدرج مخفف عبر وجه صفيحة بتري حيث يتم ترسيب الخلايا البكتيرية على سطح أجار.

بسبب هذا التدرج المخفف ، لا يحدث النمو المتكدس في ذلك الجزء من الوسط حيث يتم ترسيب عدد قليل من الخلايا البكتيرية. من المفترض أن كل مستعمرة هي ذرية خلية ميكروبية واحدة وبالتالي تمثل استنساخ الثقافة النقية. يتم التقاط هذه المستعمرات المعزولة بشكل منفصل باستخدام حلقة / إبرة التلقيح المعقمة وإعادة رسمها على وسائط جديدة لضمان النقاء.

2. طريقة صب لوحة:

تتضمن هذه الطريقة طلاء العينات المخففة الممزوجة بوسط أجار ذائب (الشكل 16.14). المبدأ الرئيسي هو تخفيف اللقاح في أنابيب متتالية تحتوي على وسط أجار مسال للسماح بتوزيع شامل للخلايا البكتيرية داخل الوسط.

هنا ، يتم تخفيف الثقافة المختلطة للبكتيريا مباشرة في أنابيب تحتوي على وسط أجار ذائب محفوظ في الحالة السائلة عند درجة حرارة 42-45 درجة مئوية (يتجمد أجار تحت 42 درجة مئوية). يتم خلط البكتيريا والوسط المذاب جيدًا.

تُسكب محتويات كل أنبوب في ألواح بتري منفصلة ، وتترك لتتجمد ، ثم تحضن. عندما تتطور المستعمرات البكتيرية ، يجد المرء أن المستعمرات المعزولة تتطور داخل وسط أجار (مستعمرات تحت السطح) وعلى الوسط (مستعمرات سطحية). ثم يتم التقاط هذه المستعمرات المعزولة عن طريق حلقة التلقيح وخطها على صفيحة بتري أخرى لضمان النقاء.

طريقة الصفيحة الصفيحة لها عيوب معينة على النحو التالي:

(ط) يحتاج التقاط المستعمرات الجوفية إلى حفرها من وسط أجار وبالتالي التداخل مع المستعمرات الأخرى ، و

(2) يجب أن تكون الميكروبات المعزولة قادرة على تحمل التعرض المؤقت لدرجة حرارة 42-45 درجة لوسط أجار السائل ، وبالتالي فإن هذه التقنية تثبت أنها غير مناسبة لعزل الكائنات الحية الدقيقة المحبة للنفسية.

ومع ذلك ، فإن طريقة لوحة الصب ، بالإضافة إلى استخدامها في عزل الثقافات النقية ، تُستخدم أيضًا لتحديد عدد الخلايا البكتيرية القابلة للحياة الموجودة في المزرعة.

3. طريقة انتشار لوحة:

في هذه الطريقة (الشكل 16.15) ، لا يتم تخفيف الثقافة المختلطة أو الكائنات الحية الدقيقة في وسط أجار ذائب (على عكس طريقة لوحة الصب) بل يتم تخفيفها في سلسلة من الأنابيب التي تحتوي على سائل معقم ، عادة ، ماء أو محلول ملحي فيزيولوجي.

يتم وضع قطرة من السائل المخفف من كل أنبوب في وسط صفيحة أجار وتنتشر بالتساوي على السطح عن طريق قضيب زجاجي معقم. الوسيلة محتضنة الآن.

عندما تتطور المستعمرات على الصفائح المتوسطة أجار ، وجد أن هناك بعض الصفائح التي تنمو فيها مستعمرات معزولة جيدًا. يحدث هذا نتيجة فصل الكائنات الحية الدقيقة الفردية عن طريق الانتشار فوق قطرة السائل المخفف على وسط اللوحة.

يتم التقاط المستعمرات المعزولة ونقلها إلى وسط جديد لضمان النقاء. على النقيض من طريقة الصفيحة ، فإن المستعمرات السطحية فقط تتطور في هذه الطريقة والكائنات الحية الدقيقة ليست مطلوبة لتحمل درجة حرارة وسط الأجار الذائب.

4. طريقة التخفيف التسلسلي:

كما ذكرنا سابقًا ، تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع للحصول على مزارع نقية لتلك الكائنات الحية الدقيقة التي لم يتم زراعتها بنجاح على وسائط صلبة وتنمو فقط في الوسائط السائلة.

يمكن عزل الكائنات الحية الدقيقة السائدة في الثقافة المختلطة في شكل نقي عن طريق سلسلة من التخفيفات. يخضع اللقاح للتخفيف المتسلسل في وسط سائل معقم ، ويتم تلقيح عدد كبير من أنابيب الوسط السائل المعقم بقسامات من كل تخفيف متتالي.

الهدف من هذا التخفيف هو تلقيح سلسلة من الأنابيب بمعلق جرثومي مخفف لدرجة أن هناك بعض الأنابيب تظهر نمو ميكروب فردي واحد فقط. للراحة ، افترض أن لدينا مزرعة تحتوي على 10 مل من الوسط السائل ، تحتوي على 1000 كائن حي دقيق (الشكل 16.16) ، أي 100 كائن حي دقيق / مل من الوسط السائل.

إذا أخذنا 1 مل من هذا الوسط وخلطناه مع 9 مل من وسط سائل معقم طازج ، سيكون لدينا 100 كائن حي دقيق في 10 مل أو 10 كائنات دقيقة / مل. إذا أضفنا 1 مل من هذا المعلق إلى 9 مل أخرى. من وسط سائل معقم طازج ، سيحتوي كل مل الآن على كائن حي دقيق واحد.

إذا أظهر هذا الأنبوب أي نمو جرثومي ، فهناك احتمال كبير جدًا أن يكون هذا النمو قد نتج عن إدخال كائن حي دقيق واحد في الوسط ويمثل الثقافة النقية لتلك الكائنات الحية الدقيقة.

5. طرق عزل الخلية الواحدة:

يتم اختيار خلية فردية من النوع المطلوب بهذه الطريقة من الثقافة المختلطة ويسمح لها بالنمو.

الطريقتان التاليتان قيد الاستخدام:

أنا. طريقة الماصة الشعرية:

يتم وضع عدة قطرات صغيرة من وسط استزراع مخفف بشكل مناسب على ساترة زجاجية معقمة بواسطة ماصة معقمة مرسومة إلى أنبوب شعري. ثم يفحص المرء كل قطرة تحت المجهر حتى يجد مثل هذه القطرة ، التي تحتوي على كائن حي دقيق واحد فقط. تتم إزالة هذه القطرة باستخدام ماصة شعيرات معقمة إلى وسط طازج. يبدأ الكائن الدقيق الفردي الموجود في القطرة في التكاثر لإنتاج ثقافة نقية (الشكل 16.17).

ثانيا. طريقة Micromanipulator:

تم بناء أجهزة معالجة دقيقة ، والتي تتيح للفرد انتقاء خلية واحدة من ثقافة مختلطة. تُستخدم هذه الأداة جنبًا إلى جنب مع المجهر لاختيار خلية واحدة (خاصة الخلية البكتيرية) من مستحضر قطرة معلقة. يحتوي المعالج الدقيق على تعديلات ميكرومتر يمكن بواسطتها تحريك الماصة الدقيقة يمينًا ويسارًا ، للأمام وللخلف ، ولأعلى ولأسفل.

يتم وضع سلسلة من القطرات المعلقة من مزرعة مخففة على ساترة خاصة معقمة بواسطة ماصة مجهرية. يتم الآن البحث عن قطرة معلقة تحتوي على خلية كائن حي دقيق واحدة فقط.

يتم سحب هذه الخلية إلى الماصة الدقيقة عن طريق الشفط اللطيف ثم نقلها إلى قطرة كبيرة من وسط معقم على ساترة معقمة أخرى. عندما يزداد عدد الخلايا في هذا الانخفاض نتيجة التكاثر ، يتم نقل القطرة إلى أنبوب ثقافة به وسط مناسب. ينتج عن هذا ثقافة نقية للكائنات الحية الدقيقة المطلوبة.

تتمثل مزايا هذه الطريقة في أنه يمكن للمرء أن يكون متأكدًا بشكل معقول من أن الثقافات تأتي من خلية واحدة ويمكن للمرء الحصول على سلالات في الأنواع. العيوب هي أن المعدات باهظة الثمن ، والتلاعب بها مملة للغاية ، وتتطلب عاملًا ماهرًا. هذا هو السبب في أن هذه الطريقة محجوزة للاستخدام في الدراسات المتخصصة للغاية.

6. طريقة ثقافة الإثراء:

بشكل عام ، يتم استخدامه لعزل تلك الكائنات الحية الدقيقة الموجودة بأعداد صغيرة نسبيًا أو التي لديها معدلات نمو بطيئة مقارنة بالأنواع الأخرى الموجودة في الثقافة المختلطة.

توفر استراتيجية ثقافة الإثراء بيئة ثقافية مصممة خصيصًا من خلال دمج مغذيات معينة في الوسط وتعديل الظروف المادية للحضانة. إن وسط التكوين المعروف والحالة المحددة للحضانة تفضل نمو الكائنات الحية الدقيقة المرغوبة ولكنها غير مناسبة لنمو أنواع أخرى من الكائنات الحية الدقيقة.


في البداية كانت الميكروبات موجودة. ثم أصبحت الحياة على الأرض كبيرة.

كيف انتقلت الحياة من كائنات دقيقة إلى مخلوقات كبيرة ومعقدة؟ يرى العلماء أدلة في الحفريات تعود إلى ما قبل 570 مليون سنة.

على اليسار: منذ 508 مليون سنة حتى اليوم

في الجنوب الشرقي يقع ساحل نيوفاوندلاند ، بالقرب من أقصى امتداد لأمريكا الشمالية باتجاه الشرق ، على نتوء من المنحدرات الصخرية تسمى ميستاكين بوينت. حصل المكان على اسمه من حطام السفن التي ساعدت في حدوثها في طقس ضبابي ، عندما أخطأ قباطنة البحر في فهمه لمكان آخر. يمثل اليوم شيئًا مختلفًا تمامًا: مجموعة من الأدلة غير العادية ، أعيد تفسيرها مؤخرًا ، لواحد من أعمق ألغاز الحياة وأكثرها إثارة للحيرة على الأرض. بعد التشويش لأكثر من ثلاثة بلايين سنة كأشياء صغيرة وحيدة الخلية في الغالب ، لماذا اندلعت الحياة فجأة في وفرة من المخلوقات المعقدة - متعددة الخلايا ، وكبيرة ، ومذهلة؟ على الرغم من انتشار أشكال الحياة الجديدة هذه في جميع أنحاء العالم ، بدءًا من 570 مليون سنة على الأقل ، فقد تم العثور على أول دليل عليها في مكان واحد: Mistaken Point. كان علماء الحفريات يذهبون إلى هناك منذ عقود. لكن ما يعتقد الخبراء أنهم يرونه الآن ، في الفروق الدقيقة الصغيرة ذات الآثار الكبيرة ، جذري وجديد.

في يوم خريفي بارد ، قمت برحلة إلى ميستاكن بوينت بنفسي ، متوجهةً جنوباً من سانت جون ، عاصمة نيوفاوندلاند ، في سيارة جيب مستأجرة ، على طول شريط أسود من الطريق السريع عبر غابات التنوب والتنوب. كان معي مارك لافلام من جامعة تورونتو ميسيسوجا وزميله منذ فترة طويلة سيمون داروتش ، وهو رجل إنجليزي يعمل في جامعة فاندربيلت في ناشفيل.

وصلنا إلى Mistaken Point تحت سماء زرقاء وشمس متوهجة - طقس نادر ، كما أخبرني Laflamme ، لكن الضوء الزاوي القوي ، خاصة في وقت متأخر من بعد الظهر ، ساعد في تسليط الضوء على الحفريات الدقيقة التي جئنا لنراها.

في المحمية البيئية Mistaken Point ، التي أنشأتها حكومة المقاطعة لحماية الأحافير ، سلكنا طريقًا مليئًا بالحصى إلى ضفة البحر المكسورة وتسلقنا. أشار لافلام إلى لوح واحد من صخور رمادية أرجوانية ناعمة مائلة بحوالي 30 درجة. صورة في الحجر ، مثل الظل المعقد ، تشير إلى الهيكل العظمي لثعبان ، نمط متكرر من الأضلاع والعمود الفقري ، يبلغ طوله حوالي ثلاثة أقدام. لكن لم يكن هناك هيكل عظمي هنا ، في الواقع لم يكن هناك عظم على الإطلاق - فقط بصمة مخلوق رقيق الجسم ، ميت ودفن في قاع البحر منذ زمن بعيد جدًا. لم تسبح ولم تزحف. لا يمكن أن يعيش مثل أي كائن حي على قيد الحياة اليوم. كانت تنتمي إلى فترة أكثر غموضًا ، يسكنها مخلوقات غامضة وعالمية أخرى لا يدرك معظم الناس أنها كانت موجودة على الإطلاق. "هذه هي المرة الأولى التي تكبر فيها الحياة" ، هكذا قال لي لافلامي ونحن نركع على الصخرة.

من البداية بسيطة جدا

سر هذه الأشكال من الحياة ، المعروف باسم Ediacarans (Ee-dee-AK-arans) ، يبدأ في Flinders Ranges النائية في جنوب أستراليا ، حيث لاحظ عالم جيولوجي شاب يدعى Reginald Sprigg ، في مهمة لإعادة تقييم مناجم Ediacara المهجورة في عام 1946 ، بعض الانطباعات الغريبة في الحجر الرملي المكشوف سرير. بدت له "توحي بقناديل البحر". لم يكونوا قناديل البحر. كانت هناك أشكال أخرى أيضًا ، بعضها لا يحمل أي تشابه واضح مع أي مخلوق معروف ، حي أو منقرض. بدا أحد الأشكال وكأنه بصمة إصبع مضغوطة في الرمال.

لم يدرك Sprigg (كما لم يدرك أولئك الذين عثروا على أرقام مماثلة في الحجر من قبل ، غير متأكدين مما يفعلونه) أن الحفريات كان عمرها حوالي 550 مليون سنة - يرجع تاريخها إلى ما لا يقل عن 10 ملايين سنة قبل الدراما التطورية المعروفة ، الانفجار الكمبري الشهير. كان العلماء حتى ذلك الحين يعتقدون أن الانفجار الكمبري كان ال نقطة عندما انفتحت الحياة على الأرض ، كابوم مثل انفجار نجمي من الوحوش العجيبة - كائنات متقنة وكبيرة الحجم (نسميها حيوانات) ، لا يزال العديد من أحفادهم موجودين. أثبت اكتشاف Sprigg أهميته كإشارة أولى إلى أن الفترة التي تسمى الآن Ediacaran ، وليس العصر الكمبري الذي أعقبها فقط ، كانت حيث بدأت ملحمة الكبر والتعقيد.

ثم في عام 1967 ، لاحظ طالب دراسات عليا يدعى S.B Misra لوحًا غنيًا بالحجر الطيني في نيوفاوندلاند Mistaken Point. بدت بعض أشكاله القديمة متطابقة مع أشياء "قناديل البحر" من جنوب أستراليا ، والبعض الآخر يشبه السعف ، لكن العديد منها لا يشبه شيئًا معروفًا للعلم. كما أثبتت الأسرة الأخرى المجاورة ، التي تجلس على بعضها البعض مثل طبقات كعكة ما قبل الكمبري ، أنها تحتوي على أحافير وفيرة ومتنوعة ، محفوظة معًا كمجتمعات كاملة. كان الكثير منها لا يزال مغطى بقشور رقيقة من الرماد البركاني المتساقط ، مثل الجليد بين كل طبقة من الكيك. أتاح الرماد ، بآثاره من اليورانيوم المشع والرصاص الذي يتحلل فيه ، تحديد تأريخ إشعاعي دقيق للأسرة. تعود أحافير Mistaken Point ، التي يعود تاريخها إلى 570 مليون سنة ، إلى أقدم دليل على الأرض لكائنات كبيرة ومعقدة بيولوجيًا.

يوجد الآن أكثر من 50 شكلًا مختلفًا من أشكال Ediacaran المعروفة ، من حوالي 40 موقعًا ، في كل قارة باستثناء القارة القطبية الجنوبية. إذن ، ما الذي سمح للإدياكاران ، بعد بلايين السنين من الميكروبات التي تنتشر في العالم فقط ، أن تكبر وتغطي الأرض؟ وماذا تشير كبرهم إلى تشريحهم الداخلي ، ووسائل إطعامهم ، وطرق معيشتهم؟

قبل أن تزدهر أشكال الإدياكاران على الكوكب ، كان التطور يعمل على نطاق مجهري في الغالب ، وكان تحت السيطرة بسبب نقص الأكسجين ، وهو العنصر الذي يغذي عملية التمثيل الغذائي للحيوان. بفضل البكتيريا البحرية التي ولدت الأكسجين كمنتج لعملية التمثيل الضوئي ، ارتفعت مستويات الغاز منذ حوالي ملياري عام لكنها ظلت منخفضة نسبيًا لمليار عام أخرى. بعد ذلك ، بين 717 مليون و 635 مليون سنة ، حدثت سلسلة من التكتلات الجليدية ، واسعة الانتشار وشديدة لدرجة أنها ربما تجمدت فوق الكوكب بأكمله ، وهو وضع يسميه بعض العلماء "كرة الثلج الأرض". خلال ذلك الوقت ، ارتفعت مستويات الأكسجين مرة أخرى ، لأسباب لا تزال غير مفهومة جيدًا.

وانتهى التجمد الكبير عندما أطلقت الانفجارات البركانية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، مما أدى إلى ظهور ظاهرة الاحتباس الحراري المبكرة التي أدت إلى تدفئة الكوكب وذوبان الجليد في المحيطات. ربما لم يكن تجلد قصير آخر قبل حوالي 580 مليون سنة ، والمعروف باسم Gaskiers ، عالميًا ، لكنه وضع نيوفاوندلاند ، من بين أماكن أخرى ، في حالة تجمد عميق. كل هذه التغييرات سبقت أول ظهور للإدياكاران في السجل الأحفوري. هل هم الأسباب ماذا حدث بعد ذلك؟ هل سمحت نهاية الأنهار الجليدية ، وزيادة الأكسجين المتاح ، وتطور الخلايا الأكثر تعقيدًا ، للإدياكاران بالازدهار ، مثل الزعفران الأول في فصل الربيع؟ يمكن.

غامضة بنفس القدر هي علاقتهم بالحياة اليوم. قام أحد علماء الحفريات الألماني البارز ، أدولف زيلاخر ، بتعيينهم إلى مملكة خاصة بهم ، تختلف عن مملكة الحيوان ، بسبب ما أسماه "نوعهم الفريد والمبطن من البناء البيولوجي" ، والذي يختلف كثيرًا عن معظم الحيوانات متعددة الخلايا. يبدو أن التأثير "المبطن" يوفر استقرارًا هيكليًا ربما يعوض غياب الهيكل العظمي. ربما ساعدت أشكال اللحف والأشكال السعفية أيضًا في زيادة مساحة السطح إلى الحد الأقصى ، حتى يتمكنوا من امتصاص العناصر الغذائية بشكل أفضل من خلال جلدهم.

كان من الممكن أن تكون التغذية مشكلة بالنسبة للإدياكاران لأنه ، بقدر ما تكشف الأدلة الأحفورية ، لم يكن لدى أي منهم فم. لم يكن لديهم أمعاء ولا فتحة شرج. لا رأس ولا عيون ولا ذيل. في بعض الحالات ، كان هناك نوع من مقبض التثبيت أو القرص في أحد طرفيه ، والمعروف الآن باسم الصامد ، والذي يمسك بقاع البحر ويسمح للسعف بالانتقال إلى أعلى في الماء. كانت العديد من مناطق قاع البحر في ذلك الوقت مغطاة بحصائر ميكروبية سميكة ، مما ساعد على استقرار الرواسب مثل طبقة من التربة القشرية. لكن السعفة لم تكن نباتًا - لم يكن من الممكن أن تتغذى عملية التمثيل الضوئي - لأن العديد من الإدياكاريين كانوا يعيشون في الأعماق ، على بعد آلاف الأقدام تحت الماء ، حيث لم يخترق الضوء.

إذا لم يتمكنوا من تناول الطعام ولم يتمكنوا من التمثيل الضوئي ، فكيف يغذون أنفسهم؟ شكل واحد ، شيء شبيه بالبطيئة يسمى كيمبرلا ، ربما خدش وابتلع (هذا كان له فم ، ميزة كبيرة!) القوت من الحصائر الميكروبية تحته. لكن الفرضية الرئيسية لمعظم Ediacarans هي osmotrophy ، وهي كلمة خيالية لعملية أساسية للغاية: امتصاص العناصر الغذائية الذائبة بالتناضح ، أو الامتصاص من خلال غشاءها الخارجي. كان جيدًا بما يكفي ، ربما ، في عالم أبسط في وقت أبسط ، لكنه كان سيصبح قوتًا ضئيلًا. ركز بعض العلماء على جانب رائع آخر للعديد من Ediacarans: الهندسة المعمارية الدقيقة. في لمحة تبدو مبطنة ، لكن الفحص الدقيق يكشف أن هيكلها كسوري. أي أن الأنماط المتشابهة تكرر نفسها بمقاييس أصغر تدريجيًا. كانت السعفة الكبيرة تتكون من سعف أصغر ، وتتكون تلك السعف الصغيرة من سعف أصغر ، وكلها متشابهة باستثناء الحجم. يردد الشكل الأساسي نفسه عند ثلاثة أو أربعة مقاييس. من المحتمل أن تساعد الهيكلة الفركتلية في تفسير كيف تمكنوا من النمو بشكل كبير. لقد وفرت بعض الصلابة ، وزادت مساحة السطح ، وربما تعكس اختصارًا وراثيًا. ربما تكون الصيغة البسيطة في الجينوم قد حددت: بناء وحدة صغيرة ، ثم كرر هذه العملية مرارًا وتكرارًا ، مضيفًا واحدة تلو الأخرى ، لتجعلني كبيرًا.

ظهر هذا النوع من البنية الكسورية في المخلوق الشبيه بالأفعى مارك لافلام ورأيته في الصخرة الرمادية المسترجعة في ميستاكن بوينت. يظهر أيضًا في عدد من Ediacarans الأخرى ، والتي تسمى مجتمعة rangeomorphs ، والتي سميت على اسم النموذج الناميبي للشكل ، والمعروف باسم رانجيا. خلال يومنا هذا على صخور نيوفاوندلاند ، وجهت لافلام عيني إلى العديد من الأشكال ، غير الواضحة من مسافة 10 أقدام ولكنها مخيفة عند النظر إليها عن كثب. كان هنا Beothukis mistakensis ، سعفة على شكل مجداف ، سميت باسم مكان اكتشافها. كان هناك فركتوفوس ، شكل مغزل ، مدبب عند كلا الطرفين. كانت تعيش منبسطة في قاع البحر. عندما جاء الموت إلى مجتمع من Ediacarans ، كما هو الحال عندما استقرت عاصفة ثلجية من الرماد البركاني عبر مياه البحر لتخنقهم أو انطلق سيل من الرواسب من منحدر حاد لدفنهم ، فقد تحطمت الأشياء ذات السعف العمودي أحيانًا (كدليل أحفوري) يظهر) ، ولكن فركتوفوس يبدو أن المغازل قد ماتت بلطف حيث كانت موجودة.

على الرغم من أن هذه المجموعة من الأشكال قد هيمنت على النظام البيئي في أعماق البحار في Mistaken Point لملايين السنين وازدهرت في أماكن أخرى في المياه الضحلة إلى حد ما ، إلا أنها اختفت جميعًا ، ولم تترك أحفادًا معروفة. مع بداية العصر الكمبري قبل 541 مليون سنة ، أو بعد ذلك بفترة وجيزة ، كانوا قد اختفوا بالكامل تقريبًا من سجل الحفريات كما نعرفه. لهذا السبب اقترح بعض العلماء أن الإدياكاران يمثلون "تجارب فاشلة" في التطور المبكر للحياة متعددة الخلايا.

لماذا Ediacarans فجأة تختفي؟ هل كان الانقراض مطلقًا أم كان هناك أحفاد بأشكال مختلفة؟ وإذا لم تكن النهاية مفاجئة وكاملة ، فماذا أنهى الإدياكاران مثل الإدياكاران ، حيث يموتون الأنواع حسب الأنواع في الغموض؟

قدم زميل Laflamme ، سيمون داروتش ، إجابة واحدة محتملة. في فترة ما بعد الظهيرة من زيارتنا إلى Mistaken Point ، وصل داروتش إلى حقيبته النهارية وأنتج مفاجأة: قطع صغيرة من الحجر البني المسطح من أسرة Ediacaran المتأخرة التي يدرسها في ناميبيا. لقد أحضرهم من معمله في فاندربيلت ليريني بعض آثار الحفريات. تسجل إحدى الأحافير النادرة ، المتميزة عن أحفورة الجسم ، آثار نشاط الحيوان - الحركة ، والمضغ ، والتغوط - كما هو محفوظ في الصخور. إنه سجل للسلوك وليس لشكل الجسم. أي من هذه الآثار جديرة بالملاحظة في العصر الإدياكاري ، لأن معظم الإدياكاران لم يتمكنوا من القيام بهذه الأشياء: الحركة ، أو المضغ ، أو التبرز.

قال داروتش: "هذا نظام بيئي جامد للغاية ،" مشيرًا إلى أحافير إدياكاران القديمة المشهورة الغنية التي وقفنا عليها.

كان الإدياكاران اللاحق ، كما ظهر في الصخور الناميبية ، مختلفًا كثيرًا. وقال إن أحد الاختلافات الكبيرة هو أنه "لأول مرة لدينا حفر معقدة." يختلف الخبراء حول الوقت الذي ظهرت فيه الأنماط المعقدة للمخلوقات المختبئة لأول مرة ، ولكن بأي حكم ، تشير هذه الآثار إلى تغيير كبير من العصر الإدياكاري إلى العصر الكمبري. لطالما كانت المخلوقات الدودية تتلوى على طول قاع البحر الآن وهي تحفر نفقًا فيه أيضًا. أراني داروتش لوحًا صغيرًا عليه آثار منقط. "إنهم على السطح ، ويختفون ، ثم يعودون إلى السطح مرة أخرى." كان هذا دليلًا على وجود كائن عضلي معقد ، مما يسمح له بالتحرك في ثلاثة أبعاد. إذا تحركت بهذه الطريقة ، فقد كان لها نهاية أمامية وخلفية. في نهايته الأمامية ، ربما يكون الفم. في الفم ، ربما أسنان. كانت هذه أدوات وقدرات جديدة غير عادية في ذلك الوقت. زحفت الديدان إلى الداخل ، وزحفت منها ، مما أدى إلى تعطيل الحصائر الميكروبية ، وربما تمضغ مباشرة على Ediacarans. في ورقة بحثية حديثة ، أطلق داروتش والمؤلفون المشاركون (بقيادة جيمس شيفباور ، ومن بينهم لافلام) على هذا العصر الكمبري المبكر اسم "عالم الدودة". لم يكن مكانا ل Ediacarans.

لم تكن الديدان هي العامل الوحيد الذي جلب النسيان للإدياكاران وأدى إلى الانفجار الكمبري - كانت هناك أيضًا تغييرات في كيمياء المحيطات سمحت للحيوانات بالحصول على أجزاء صلبة (الهياكل العظمية الغنية بالكالسيوم والأسنان والأصداف) ، وزيادة عامة في الأنماط من التنقل (ليس فقط الاختباء) ، وظهور العادات المفترسة ، من بين أمور أخرى. لكن دودة ذلك الوقت الانتقالي ، في أواخر الفترة الإدياكارية ، ربما لعبت دورًا حاسمًا. بعد أسابيع قليلة من نزهة النقطة الخاطئة ، تحدثت مع جيمس جيلينج ، الباحث الإدياكاري الرائد. اصعد إلى Flinders Ranges في جنوب أستراليا ، بالقرب من Ediacara Hills ، أخبرني عبر الهاتف من مكتبه في Adelaide ، وانظر إلى التكوين الأول لطبقات الكمبري الرسوبية. "إنها مجرد جبنة سويسرية." حفرتها مخلوقات دودية كانت قد أزاحت الرمال و "أعادت تدوير" الإدياكاران الرخوة. قال جيلينج: "هذا هو المكان الذي يبدأ فيه العصر الكمبري". "ظهور الجهاز العضلي للحفر."

يتفق جاي ناربون ، من جامعة كوينز في أونتاريو ، إلى حد كبير مع أهمية الحفر. ولكن جنبًا إلى جنب مع طالبة الدراسات العليا كالا كاربوني ، أخذ Wormworld خطوة إلى الأمام. بناءً على التحليل الدقيق لأثر الحفريات من أواخر العصر الإدياكاري وأوائل العصر الكمبري ، لاحظ ناربون وكاربوني اختلافًا كبيرًا في كيفية تحول تلك المخلوقات الدودية. بحلول أوائل العصر الكمبري ، أصبحت الحيوانات التي تختبئ الجحور أكثر منهجية في بحثها عن الطعام ، وكذلك أكثر عضلات. لقد تراوحت بشكل أكثر كفاءة ، وتتبع الموارد بشكل أفضل وعبور مساراتهم الخاصة أقل. قال لي ناربون "إنه يعكس تطور الذكاء". وأضاف: "تفسيرنا هو أن الانفجار الكمبري حدث عندما أصبح السلوك مشفرًا في الجينوم." قاموا بعنوان تلك الورقة ، "عندما أصبحت الحياة ذكية."

يتفق معظم الخبراء على أن الذكاء ، حتى على المستوى الذي تعبر عنه دودة بدائية ، لم يكن مفتاح ربط في مجموعة أدوات Ediacaran. ربما تم ترميز جينومات تلك المخلوقات للتكرار النمطي - على الأقل في مجموعة الأشكال ، حيث أسفرت عن نوع بسيط من التعقيد - ولكن ليس للاستجابة للظروف ، أو الكفاءة. مع ذلك ، إنها نقطة خاطئة أن نرفض الإدياكاران على أنهم محكوم عليهم بالفشل. ارتكب الناس هذا الخطأ مع طائر الدودو ، عندما وصفوه بأنه شعار الغباء المشؤوم. لكن طائر الدودو الحقيقي ، رافوس كوكولاتوس طائر كبير ، لا يطير ، يأكل الفاكهة المتوطنة في جزيرة موريشيوس ، قد ازدهر في موطنه المسالم لآلاف السنين - حتى الانسان العاقل ووصلت الحيوانات المفترسة الأخرى. وبالمثل ، فإن Ediacarans مع التهديدات الجديدة الخاصة بهم. يمكنك تسميتها "تجارب فاشلة" في التطور إذا أردت ، لكنها نجحت وازدهرت ، في بيئاتها المفضلة ولكن الصعبة ، لأكثر من 30 مليون سنة. يجب أن نكون نحن البشر صامدين جدًا ومحظوظين.


التحلل الهوائي

عندما تتحلل المواد العضوية في وجود الأكسجين ، تسمى العملية & # 8220aerobic. & # 8221 العملية الهوائية هي الأكثر شيوعًا في الطبيعة. على سبيل المثال ، يحدث على الأسطح الأرضية مثل أرضية الغابة ، حيث يتم تحويل فضلات الأشجار والحيوانات إلى دبال مستقر نسبيًا. لا توجد رائحة كريهة مصاحبة عند وجود أكسجين كافٍ.

في التحلل الهوائي ، تتغذى الكائنات الحية التي تستخدم الأكسجين على المادة العضوية. يستخدمون النيتروجين والفوسفور وبعض الكربون والعناصر الغذائية الأخرى المطلوبة. يعمل الكثير من الكربون كمصدر للطاقة للكائنات الحية ويتم حرقه وتنفسه كثاني أكسيد الكربون (C0)2). نظرًا لأن الكربون يعمل كمصدر للطاقة وكعنصر في بروتوبلازم الخلية ، هناك حاجة إلى كمية أكبر من الكربون أكثر من النيتروجين. بشكل عام ، يتم استنشاق حوالي ثلثي الكربون في صورة ثاني أكسيد الكربون2، بينما يتم دمج الثلث الآخر مع النيتروجين في الخلايا الحية. ومع ذلك ، إذا كان فائض الكربون على النيتروجين (نسبة C: N) في المواد العضوية المتحللة كبير جدًا ، فإن النشاط البيولوجي يتضاءل. ثم يلزم عدة دورات من الكائنات الحية لحرق معظم الكربون.

عندما تموت بعض الكائنات الحية ، يصبح النيتروجين والكربون المخزنين متاحين للكائنات الأخرى. نظرًا لأن الكائنات الحية الأخرى تستخدم النيتروجين من الخلايا الميتة لتكوين مادة خلوية جديدة ، يتم تحويل الكربون الزائد مرة أخرى إلى ثاني أكسيد الكربون2. وبالتالي ، يتم تقليل كمية الكربون وإعادة تدوير الكمية المحدودة من النيتروجين. أخيرًا ، عندما تكون نسبة الكربون المتاح إلى النيتروجين المتاح في حالة توازن كافٍ ، يتم إطلاق النيتروجين على شكل أمونيا. في ظل ظروف مواتية ، قد تتأكسد بعض الأمونيا لتصبح نترات. الفوسفور والبوتاس والمغذيات الدقيقة المختلفة ضرورية أيضًا للنمو البيولوجي. توجد هذه عادة بكميات أكثر من كافية في المواد القابلة للتحويل إلى سماد ولا تمثل أي مشكلة.

أثناء عملية التسميد ، يتم إطلاق قدر كبير من الطاقة على شكل حرارة في أكسدة الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون2. على سبيل المثال ، إذا تم تبديد جزيء جرام من الجلوكوز في ظروف هوائية ، فقد يتم تحرير 484 إلى 674 كيلوجرامًا من السعرات الحرارية (كيلو كالوري) من الحرارة. إذا كانت المادة العضوية في كومة أو تم ترتيبها بطريقة أخرى لتوفير بعض العزل ، فإن درجة حرارة المادة أثناء التحلل سترتفع إلى أكثر من 170 درجة فهرنهايت. إذا تجاوزت درجة الحرارة 162 درجة فهرنهايت إلى 172 درجة فهرنهايت ، فإن النشاط البكتيري ينخفض ​​ويتباطأ الاستقرار.

في البداية ، الكائنات الحية المتوسطة ، التي تعيش في درجات حرارة من 50 درجة فهرنهايت إلى 115 درجة فهرنهايت ، تستعمر في المواد. عندما تتجاوز درجة الحرارة حوالي 120 درجة فهرنهايت ، فإن الكائنات المحبة للحرارة ، التي تنمو وتزدهر في نطاق درجة حرارة 115 درجة فهرنهايت إلى 160 درجة فهرنهايت ، تطور وتحل محل البكتيريا الوسيطة في مادة التحلل. فقط عدد قليل من مجموعات المحبة للحرارة تقوم بأي نشاط أعلى من 160 درجة فهرنهايت.

يحدث الأكسدة في درجات الحرارة المحبة للحرارة بسرعة أكبر من درجات الحرارة المتوسطة ، وبالتالي ، يلزم وقت أقصر للتحلل (التثبيت).ستؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تدمير البكتيريا المسببة للأمراض ، والطفيليات (الحيوانات المجهرية أحادية الخلية) ، وبذور الأعشاب الضارة ، التي تضر بالصحة أو الزراعة عند استخدام السماد النهائي.

لا ينتج عن الأكسدة الهوائية للمواد العضوية أي رائحة كريهة. إذا كانت الروائح ملحوظة ، فإما أن العملية ليست هوائية بالكامل أو أن هناك بعض الظروف أو المواد الخاصة التي تخلق رائحة. يمكن إجراء التحلل الهوائي أو التسميد في حفر أو صناديق أو أكوام أو أكوام ، إذا تم توفير الأكسجين الكافي. يعد قلب المادة على فترات أو تقنيات أخرى لإضافة الأكسجين مفيدًا في الحفاظ على الظروف الهوائية.

تصل أكوام السماد في الظروف الهوائية إلى درجة حرارة تتراوح من 140 درجة فهرنهايت إلى 160 درجة فهرنهايت في يوم إلى خمسة أيام اعتمادًا على المادة وظروف عملية التسميد. يمكن أيضًا الحفاظ على درجة الحرارة هذه لعدة أيام قبل مزيد من التهوية. يجب أن تأتي الحرارة اللازمة لإنتاج درجة الحرارة هذه والحفاظ عليها من التحلل الهوائي الذي يتطلب الأكسجين. بعد فترة من الزمن ، ستصبح المادة لاهوائية ما لم يتم تهويتها.

في هذا الدليل ، سيتم استخدام المصطلح & # 8220aerobic Composting & # 8221 في المعنى المقبول عمومًا لهذه العملية. يتطلب كمية كبيرة من الأكسجين ولا ينتج أي من السمات المميزة للتعفن اللاهوائي. في معناه الحديث ، يمكن تعريف التسميد الهوائي على أنه عملية تستخدم فيها الكائنات الهوائية ، المحبة للحرارة بشكل أساسي ، كميات كبيرة من الأكسجين في تحلل المواد العضوية إلى دبال مستقر إلى حد ما ، في ظل ظروف بيئية مناسبة.


كيف تنتشر الميكروبات من مكان صغير إلى مكان كبير جدًا؟ - مادة الاحياء

تجربة لدمج البلازميدات المحتوية على Lux Operon في بكتيريا E. coli من خلال التشجيع على التحول.

التحول الجيني هو "عملية يتم من خلالها تغيير المادة الجينية التي تحملها خلية فردية عن طريق دمج الحمض النووي الأجنبي (الخارجي) في جينومها" (MedicineNet، 1999). هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها تغيير الحمض النووي البكتيري بما في ذلك التنبيغ والاقتران ولكننا سنستخدم عملية التحول لتغيير جينوم الإشريكية القولونية. البلازميد هو "قطعة دائرية صغيرة من الحمض النووي في البكتيريا تشبه الكروموسوم الدائري البكتيري ، ولكن يمكن الاستغناء عنها. تحتوي بعض السلالات البكتيرية على العديد من البلازميدات وبعضها لا يحتوي على أي بلازميدات. غالبًا ما تستخدم البلازميدات في الهندسة الوراثية كناقلات للاستنساخ ”(Bowden ، 2008). الأوبرون هو مزيج من المروج والمشغل والجينات. المشغل يجلس بين المروج والجينات كشكل من أشكال التنظيم السلبي. يمكن أن ترتبط مثبطات التماثل الخيفي بالمشغل وبالتالي تمنع نسخ هذا الجين. توجد عوامل تشغيل من هذا النوع فقط في البكتيريا. إن أوبرا لوكس ، الذي سنستخدمه والموجود للبلازميد الذي يتم إدخاله يسمى pVIB ، يحتوي على جين يرمز إلى Luciferase الذي يمتلك خاصية تمكين التلألؤ البيولوجي. "يقوم أوبرا لوكس بترميز الجينات للتنظيم الذاتي ولإنتاج البروتينات المضيئة" (لوكس, 2008).

المفهوم الكامن وراء التجربة هو أنه يمكننا جعل البلازميدات المستقلة تمر عبر أغشية بكتيريا الإشريكية القولونية من أجل دمجها كجزء من جينومها ، ولكن لا تزال بلازميد. يتم إعطاء البلازميدات لنا ككيانات مستقلة خارج أي خلية. من خلال مجموعة من العمليات ، سنحاول دمج البلازميدات في بكتيريا الإشريكية القولونية. تحتوي البلازميدات التي سنستخدمها على أوبرا لوكس ومقاومة للمضاد الحيوي الأمبيسلين. يسمى الجين الذي يرمز لمقاومة الأمبيسلين "amp r". أثناء التجربة سنضع نوعي البكتيريا ، مع وبدون البلازميد ، في محاليل LB Agar و LB Agar و Ampicillin. افترضنا أن البكتيريا التي تحتوي على البلازميد (+ البلازميد) ستعيش في كل من محاليل LB Agar و LB Agar / Ampicillin ، وأيضًا أن البكتيريا التي لا تحتوي على البلازميد (البلازميد) ستعيش فقط في طبق LB Agar فقط.

1. يرجى وصف الخطوات الدقيقة التي تنطوي عليها الصدمة الحرارية على المستوى الخلوي / الجزيئي. أي كيف يمكننا إجبار خلية بكتيرية على امتصاص البلازميد؟

غشاء الخلية عبارة عن طبقة ثنائية فوسفورية تحتوي على مجموعات فوسفات سالبة الشحنة في الرؤوس. على الرغم من أن مناطق قبول الحمض النووي الأجنبي كبيرة بما يكفي ، فإن مجموعات الفوسفات سالبة الشحنة تصد بشكل طبيعي العمود الفقري للفوسفات سالب الشحنة لبلازميد الحمض النووي ، مما يوقف تحريضه. نضيف جزيئات كلوريد الكالسيوم إلى الخليط حتى تتمكن أيونات الكالسيوم الموجبة من تحييد الشحنات السالبة وبالتالي السماح بتحريض البلازميدات في الخلية. من أجل تحييد الشحنات بشكل أفضل ، قمنا بتبريد الخلايا وبالتالي زيادة استقرار الغشاء. تصبح درجة الحرارة داخل الخلية باردة. ثم نقوم بتسخين المحلول ، مما يؤدي إلى حدوث خلل في درجة الحرارة عبر الغشاء وبالتالي تيار في الخلية ، مما يؤدي إلى دخول البلازميد إلى الخلية.

2. إذا اختلفت أي من التوقعات المتعلقة بنمو البكتيريا التي تم إجراؤها في اعتبارات ما قبل المختبر عن النتائج التي تمت ملاحظتها ، فيرجى وصفها وشرح سبب اعتقادك أنك حصلت على هذه النتائج

التوقعات التي قدمتها في اعتبارات ما قبل المختبر صحيحة ، على الورق ، لكن بعضها لا يتطابق مع ما لاحظته. هذا يعني أنه ربما حدث خطأ ما أثناء التجربة. لقد توقعت أن البكتيريا البلازميدية الموضوعة في صفيحة تحتوي على LB Agar فقط ستبقى على قيد الحياة ولكن من الواضح أنها لن تكون مضيئة بسبب عدم وجود pVIB وبالتالي أوبيرون Lux. لاحظت أنه لا توجد بكتيريا من أي نوع تنمو في تلك اللوحة. ربما ماتت البكتيريا قبل أن تتمكن من الزراعة بشكل صحيح. لقد واجهت أيضًا مشكلة مع بكتيريا + البلازميد التي تنمو في صفيحة LB Agar / Ampicillin. كان لدينا مستعمرة واحدة تنمو لذا نجحت ، لكنها فشلت عمومًا في النمو. المستعمرة الوحيدة التي فعلت ذلك كانت في الحقيقة مضيئة. لم يحدث خطأ في الإجراء لأنه نجح. قد تكون هناك عوامل بيئية مثل التلوث الذي يؤثر على زراعة البكتيريا في الصفيحتين المصابتين.

3. ما الذي تختاره في هذه التجربة؟ (أي ما الذي يسمح لك بتحديد البكتيريا التي تناولت البلازميد؟)

تمكنا من تحديد البكتيريا التي تناولت البلازميد لأن تلك التي لا تحتوي على مقاومة الأمبيسيلين ولن تكون ذات إضاءة حيوية لأن أوبرون لوكس هو جزء من بلازميد pVIB. ستعيش البلازميد -بلازميد فقط في حالة عدم وجود الأمبيسلين. سوف يعيش البلازميد + حول الأمبيسلين وفي حالة عدم وجوده. لذا فإن البكتيريا التي تتلألأ بيولوجيًا ولا يتم قتلها بواسطة الأمبيسلين هي البكتيريا التي دمجت البلازميد الذي أدخلناه.

4. يتم التعبير عن كفاءة التحول بعدد المستعمرات المقاومة للمضادات الحيوية لكل ميكروغرام من DNA البلازميد. الهدف هو تحديد كتلة البلازميد التي تم نشرها على الصفيحة التجريبية والتي كانت ، بالتالي ، مسؤولة عن المحولات (عدد المستعمرات) التي تمت ملاحظتها. نظرًا لأن التحول يقتصر على تلك الخلايا المختصة فقط ، فإن زيادة كمية البلازميد لا تؤدي بالضرورة إلى زيادة احتمال تحول الخلية. عادةً ما يتم تشبع عينة من الخلايا المختصة بإضافة كمية صغيرة من البلازميد ، وقد يتداخل الحمض النووي الزائد مع عملية التحول.

أ. حدد الكتلة الكلية (بالميكروجرام) للبلازميد المستخدم. تذكر أنك استخدمت 10 ميكرولتر من البلازميد بتركيز 0.005 ميكروغرام / ميكرولتر.

10 ميكرولتر بلازميد X 0.005 ميكروغرام / ميكرولتر = 0.05 ميكروغرام بلازميد

ب. حساب الحجم الكلي لتعليق الخلية المعدة.

250 ميكرولتر CaCl2 + 250 ميكرولتر LB + 10 ميكرولتر DNA البلازميد + حوالي 5 ميكرولتر E. coli = حوالي 515 ميكرولتر تعليق خلية

ج. الآن احسب الكسر من إجمالي تعليق الخلية الذي تم نشره على اللوحة.

انتشار 100 ميكرولتر / إجمالي 515 ميكرولتر = 1942

د. تحديد كتلة البلازميد في انتشار تعليق الخلية.

0.05 ميكروغرام بلازميد X .1942 = .00971 ميكروغرام بلازميد

ه. حدد عدد المستعمرات لكل ميكروغرام من DNA البلازميد. عبر عن إجابتك في تدوين علمي. هذه هي كفاءة التحول الخاصة بك.

مستعمرة واحدة / .00971 ميكروغرام بلازميد = حوالي 103 مستعمرة / ميكروغرام بلازميد

كفاءة التحول: 1.0 × 10 2 مستعمرة لكل ميكروغرام بلازميد

5. ما هي العوامل التي قد تؤثر على كفاءة التحويل؟ اشرح تأثير كل عامل ذكرته.

إذا تم تغيير أي كمية من أي عنصر معين من التجربة على سبيل المثال إذا كان تركيز البلازميد أكثر أو أقل ، فإن النتائج وكفاءة الإرسال. كمية الاتصال بين البلازميد والبكتيريا لها تأثير على كفاءة الإرسال. إذا لم يكن هناك الكثير من البكتيريا ولكن هناك الكثير من البلازميد وتمت إضافة المزيد من البلازميد ، فإن كفاءة الإرسال ستنخفض لأن الكميات الزائدة من البلازميد بكميات صغيرة محدودة من البكتيريا لا تزيد من التحولات بعدد التحولات المحتملة. هناك أيضًا توازن دقيق فيما يتعلق بالصدمة الحرارية. تموت البكتيريا إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة للغاية ، لكن فكرة العلاج بالصدمة الحرارية ، حيث يتسبب التدرج في الحرارة في حدوث التيار ، لن تعمل إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا. أيضًا ، يعد وقت التعرض للصدمة الحرارية عاملاً أيضًا لأن التعرض المفرط يمكن أن يؤثر سلبًا على البكتيريا والبلازميد.

كانت الفرضية الأصلية التي كانت لدي هي أن البكتيريا البلازميدية ستعيش فقط في حالة عدم وجود الأمبيسلين بسبب نقص المقاومة الموجودة على البلازميد pVIB. أيضًا ، افترضت أن بكتيريا + البلازميد ستعيش في جميع المواقف وتكون مضيئة بيولوجيًا ، حتى في وجود المضاد الحيوي الأمبيسلين. أظهرت نتائجي أن الإشريكية القولونية البلازميدية لم تنمو في وجود أو عدم وجود الأمبيسلين. كان يجب أن ينمو في غياب الأمبيسلين. أظهرت نتائجي أيضًا أن + البلازميد الإشريكية القولونية نمت في كل من وجود وغياب الأمبيسلين. لم تنمو الإشريكية القولونية البلازميدية كثيرًا في الوجود. نجت مستعمرة واحدة فقط مضيئة. لن أقوم بمراجعة فرضيتي الأصلية لأن الفرضية تتبع ما كان يجب أن يحدث بطبيعته إذا تم إجراء التجربة بشكل صحيح. أظن أن الألواح ربما تعرضت للبيئة لفترة طويلة أثناء التجربة وتعرضت للتلوث.


شاهد الفيديو: 8 علامات تدل على أن جسمك يبكي طلبا للمساعدة (شهر فبراير 2023).