الإندوسبورات: الخصائص والبنية والتكوين والوظائف - مادة الاحياء - 2025

و الأبواغ هي أشكال من البقاء على قيد الحياة من بكتيريا معينة، تتكون من خلايا نائمة وطبقات واقية المغلفة المجففة، والتي تبين المقاومة تطرفا للإجهاد الكيميائية والفيزيائية. فهي قادرة على الاستمرار إلى أجل غير مسمى في حالة عدم وجود العناصر الغذائية. تتشكل داخل البكتيريا.

الإندوسبورات هي أكثر الهياكل الحية المعروفة مقاومة. يمكنهم البقاء على قيد الحياة في درجات الحرارة العالية ، والأشعة فوق البنفسجية ، وأشعة جاما ، والجفاف ، والتناضح ، والعوامل الكيميائية ، والتحلل المائي الأنزيمي.

المصدر: مرفق المجهر الإلكتروني لدارتماوث ، كلية دارتموث

عندما تحدد الظروف البيئية ذلك ، فإن الأبواغ تنبت مما يؤدي إلى ظهور بكتيريا نشطة تتغذى وتتكاثر.

الإندوسبورات هي نوع من الجراثيم. هناك الفطريات والأوليات والطحالب والنباتات التي تنتج أنواعها الخاصة. تفتقر الإندوسبورات إلى الوظيفة الإنجابية: كل خلية بكتيرية تنتج واحدة فقط. في الكائنات الحية الأخرى ، على العكس من ذلك ، يمكن أن يكون لها وظيفة الإنجاب.

التاريخ

في منتصف القرن السابع عشر ، كان تاجر القماش الهولندي ورائد علم الأحياء الدقيقة أنطوني فان ليوينهوك ، باستخدام مجاهر بارعة صممها وصنعها بنفسه ، أول من لاحظ الكائنات الحية الدقيقة ، بما في ذلك الكائنات الأولية والطحالب والخمائر والفطريات والبكتيريا.

في عام 1859 ، رعت الأكاديمية الفرنسية للعلوم مسابقة شارك فيها الكيميائي الفرنسي لويس باستير. كان الهدف هو إلقاء الضوء من خلال تجربة على "التوليد التلقائي" ، وهي فرضية قديمة تقترح أن الحياة يمكن أن تنشأ من "قوى حيوية" أو "مواد قابلة للانتقال" موجودة في مادة غير حية أو متحللة.

أظهر باستير ، كما في حالة النبيذ ، أن الهواء والجسيمات الصلبة هي مصدر الميكروبات التي تنمو في مرق الاستزراع الذي سبق تعقيمه بالحرارة. بعد فترة وجيزة ، في عام 1877 ، أيد الفيزيائي الإنجليزي جون تيندال ملاحظات باستور ، ووضع الضربة النهائية لفرضية التولد التلقائي.

قدم Tyndall أيضًا أدلة على أشكال البكتيريا شديدة المقاومة للحرارة. بشكل مستقل ، بين عامي 1872 و 1885 ، وصف عالم النبات الألماني فرديناند كوهن ، مؤسس علم الأحياء الدقيقة الحديث ، الأبواغ البكتيرية بالتفصيل.

طول العمر

تعيش معظم الكائنات الحية في بيئات تختلف في الزمان والمكان. تتمثل الإستراتيجية الشائعة للبقاء على قيد الحياة في الظروف البيئية غير المناسبة مؤقتًا للنمو والتكاثر في الدخول في حالة من السكون القابل للعكس ، حيث يلجأ الأفراد خلالها إلى الهياكل الوقائية ويقللوا من إنفاقهم للطاقة.

الانتقال بين الحالات النشطة والكامنة مكلف من الناحية الأيضية. يكون هذا الاستثمار أكبر عندما يتعين على الأفراد بناء هياكل الحماية الخاصة بهم ، سواء كانت تتكون من مواد خارجية ، أو تم تصنيعها بيولوجيًا في الداخل. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون الأفراد قادرين على الاستجابة للمحفزات البيئية التي تسبب التحول.

يولد الكمون خزانًا من الأفراد النائمين يمكن تنشيطه عند ظهور الظروف الملائمة مرة أخرى. تسمح هذه الخزانات بالحفاظ على السكان وتنوعهم الجيني. عندما يتعلق الأمر بالبكتيريا المسببة للأمراض المنتجة للبكتيريا ، فإن زمن الوصول يسهل انتقالها ويجعل السيطرة عليها أمرًا صعبًا.

يمكن أن تظل الأبواغ البكتيرية قابلة للحياة لسنوات عديدة. لقد قيل إن الأبواغ المحفوظة في الركائز القديمة ، مثل التربة الصقيعية ، والرواسب المائية ، ورواسب الملح الجوفية ، أو الكهرمان يمكن أن تظل قابلة للحياة لآلاف وحتى ملايين السنين.

الملاحظة

يعد تصور الموضع والخصائص الأخرى للأبواغ مفيدة جدًا لتحديد أنواع البكتيريا.

يمكن رؤية الإندوسبورات باستخدام مجهر ضوئي. في البكتيريا المعرضة لتلطيخ الجرام أو الميثيلين الأزرق ، يتم تمييزها كمناطق عديمة اللون داخل الخلية البكتيرية النباتية. وذلك لأن جدران الأبواغ مقاومة للاختراق بواسطة كواشف التلوين العادية.

تم تطوير طريقة تلطيخ محددة للأبواغ ، تُعرف باسم صبغة شيفر فولتون التفاضلية ، مما يجعلها مرئية بوضوح. تسمح هذه الطريقة بتصور كل من تلك الموجودة داخل الخلية النباتية البكتيرية وتلك الموجودة خارجها.

تعتمد طريقة Schaeffer-Fulton على قدرة الملكيت الأخضر على تلطيخ جدار الأبواغ الداخلية. بعد تطبيق هذه المادة ، يستخدم الزعفران لتلوين الخلايا النباتية.

والنتيجة هي تلطيخ تفاضلي للاندوسبورات والخلايا النباتية. الأول يكتسب اللون الأخضر والأخير لون وردي.

بناء

داخل الخلية النباتية ، أو sporangium ، يمكن أن توجد الأبواغ الداخلية الطرفية ، أو تحت الأرض ، أو مركزيًا. يتكون هذا الشكل البكتيري من أربع طبقات: النخاع ، والجدار الجرثومي ، والقشرة ، والغطاء. في بعض الأنواع توجد طبقة غشائية خارجية خامسة تسمى exosporium ، وتتكون من البروتين الدهني الذي يحتوي على الكربوهيدرات.

النخاع أو المركز هو بروتوبلاست من endospore. يحتوي على الكروموسوم والريبوسومات ونظام توليد الطاقة حال السكر. قد لا تحتوي على السيتوكرومات ، حتى في الأنواع الهوائية.

يتم تخزين الطاقة اللازمة للإنبات في 3 فوسفوجليسيرات (لا يوجد ATP). يحتوي على تركيز عالٍ من حمض الديبيكولينك (5-15٪ من الوزن الجاف للبوابة الداخلية).

يحيط جدار جرثومة البوغ بالغشاء النخاعي. يحتوي على ببتيدوغليكان نموذجي ، والذي يصبح أثناء الإنبات جدار الخلية للخلية النباتية.

القشرة هي الطبقة الأكثر سمكًا في البوغ الداخلي. يحيط بجدار الجرثومة. يحتوي على ببتيدوغليكان غير نمطي ، مع عدد أقل من الروابط المتقاطعة من النوع العادي ، مما يجعله حساسًا للغاية للتحلل الذاتي بواسطة الليزوزيمات ، وهو ضروري للإنبات.

يتكون الغلاف من بروتين شبيه بالكيراتين يحتوي على العديد من روابط ثاني كبريتيد الجزيئية. يحيط القشرة. يمنح عدم نفاذه مقاومة للهجمات الكيميائية.

علم وظائف الأعضاء

يبدو أن حمض الديبيكولينك له دور في صيانة الكمون وتثبيت الحمض النووي ومقاومة الحرارة. إن وجود بروتينات صغيرة قابلة للذوبان في هذا الحمض يشبع الحمض النووي ويحميه من الحرارة والجفاف والأشعة فوق البنفسجية والمواد الكيميائية.

يبدأ تركيب الببتيدوغليكان اللانمطي عند تكوين حاجز غير متماثل يقسم الخلية النباتية. وبهذه الطريقة ، يقسم الببتيدوغليكان الخلية الجذعية التي يتطور فيها المسبق إلى جزأين. يحمي الببتيدوغليكان من الاختلالات التناضحية.

تقوم القشرة بإزالة الماء بشكل تناضحي من البروتوبلاست ، مما يجعلها أكثر مقاومة للحرارة والأضرار الإشعاعية.

تحتوي الإندوسبورات على إنزيمات إصلاح الحمض النووي ، والتي تعمل أثناء تنشيط النخاع والإنبات اللاحق.

التجرثم

تسمى عملية تكوين بوغ داخلي من خلية بكتيرية نباتية التبويض أو تكوين الأبواغ.

تحدث الإندوسبورات بشكل متكرر عند نقص بعض العناصر الغذائية الهامة. قد يكون هناك أيضًا إنتاج داخلي ، يمثل التأمين على الحياة ضد الانقراض ، عندما تكون العناصر الغذائية وفيرة وتكون الظروف البيئية الأخرى مواتية.

يتكون التبويض من خمس مراحل:

1) تشكيل الحاجز (الغشاء النخاعي ، جدار جرثومة البوغ). يتم عزل جزء من السيتوبلازم (النخاع المستقبلي) والكروموسوم المكرر.

2) يتطور جدار جرثومة البوغ.

3) يتم تصنيع القشرة.

4) يتكون الغطاء.

5) تتحلل الخلية الخضرية وتموت ، وبالتالي تطلق البوغ الداخلي.

إنبات

تسمى العملية التي يتحول بها البوغ إلى خلية نباتية الإنبات. يحدث هذا بسبب الانهيار الأنزيمي لغطاء البوغ الداخلي ، والذي يسمح بترطيب النخاع واستئناف النشاط الأيضي.

يتكون الإنبات من ثلاث مراحل:

1) التنشيط. يحدث عندما يتسبب التآكل أو العامل الكيميائي أو الحرارة في إتلاف الغطاء.

2) إنبات (أو بدء). يبدأ إذا كانت الظروف البيئية مواتية. يتحلل الببتيدوغليكان ، ويتم إطلاق حمض الديبيكولينك ، ويتم ترطيب الخلية.

3) تفشي المرض. تتدهور القشرة ويبدأ التخليق الحيوي والانقسام الخلوي من جديد.

علم الأمراض

تعتبر الأبواغ الداخلية للبكتيريا المسببة للأمراض مشكلة صحية خطيرة بسبب مقاومتها للحرارة والتجميد والجفاف والإشعاع ، والتي تقتل الخلايا النباتية.

على سبيل المثال ، يمكن لبعض الأبواغ الداخلية البقاء على قيد الحياة لعدة ساعات في الماء المغلي (100 درجة مئوية). في المقابل ، لا تقاوم الخلايا النباتية درجات الحرارة فوق 70 درجة مئوية.

تفرز بعض البكتيريا المنتجة للأبواغ من أجناس كلوستريديوم والبكتيريا السموم البروتينية القوية التي تسبب التسمم الغذائي ، والتيتانوس ، والجمرة الخبيثة.

اعتمادًا على الحالة ، تشمل العلاجات غسل المعدة أو تطهير الجروح أو المضادات الحيوية أو العلاج بمضادات السموم. تشمل الإجراءات الوقائية النظافة والتعقيم والتطعيم.

التسمم الوشيقي

وهو ناتج عن التلوث بأبواغ كلوستريديوم بوتولينوم. وأبرز أعراضه هو الشلل العضلي الذي يمكن أن يتبعه الموت. حدوثه منخفض.

هناك ثلاثة أنواع من التسمم الغذائي. ينتج الطفل عن تناول العسل أو أي مواد مضافة أخرى ، ملوثة بالهواء ، تمت إضافتها إلى الحليب. من جانبه ، يتم إنتاج الطعام عن طريق تناول الأطعمة الملوثة (مثل الأطعمة المعلبة) ، الخام أو المطبوخة بشكل سيئ. أخيرًا ، تحدث الإصابة عن طريق ملامسة الأرض ، وهي الموطن الطبيعي لـ C. botulinum.

كزاز

سببها المطثية الكزازية. تشمل أعراضه تقلصات عضلية مؤلمة للغاية (تعني كلمة "التيتانوس" في اليونانية الانقباض) وقوية لدرجة أنها يمكن أن تسبب كسورًا في العظام. غالبا ما تكون قاتلة. حدوثه منخفض.

تدخل الجراثيم المعدية من المطثية الكزازية الجسم عادة من خلال جرح تنبت فيه. أثناء النمو ، الذي يتطلب أكسجين الجرح بشكل سيئ ، تنتج الخلايا الخضرية ذيفان الكزاز.

البكتيريا وأبواغها الداخلية شائعة في البيئة ، بما في ذلك التربة. تم العثور عليها في براز البشر والحيوانات.

الجمرة الخبيثة

تسببه عصيات الجمرة الخبيثة. تختلف أعراضه بشكل كبير حسب البيئة وموقع الإصابة. إنه مرض خطير وغالبًا ما يكون مميتًا. معدل حدوثه مرتفع بشكل معتدل ، مما يؤدي إلى أوبئة في الحيوانات والبشر. في القرن الثامن عشر ، دمرت الجمرة الخبيثة أغنام أوروبا.

الثدييات العاشبة هي مضيفها الطبيعي. يصاب البشر بالعدوى عن طريق الاتصال (المهني عادة) مع الحيوانات ، أو عن طريق التعامل مع المنتجات الحيوانية أو تناولها.

هناك ثلاثة أنواع من الجمرة الخبيثة:

1) جلدي. الدخول ناتج عن الإصابات. تتشكل تقرحات نخرية مسودة على الجلد.

2) عن طريق الاستنشاق. مدخل أثناء التنفس. ينتج عنه التهاب ونزيف داخلي ويؤدي إلى غيبوبة.

3) الجهاز الهضمي. الدخول عن طريق الابتلاع. يسبب تقرحات الفم والبلعوم ونزيف حاد في البطن وإسهال.

في ما يقرب من 95٪ من الحالات ، تكون الجمرة الخبيثة البشرية جلدية. في أقل من 1 ٪ يكون الجهاز الهضمي.

مراقبة

يمكن تدمير الإندوسبورات عن طريق التعقيم في الأوتوكلاف ، والجمع بين ضغوط 15 رطل لكل بوصة مربعة ودرجات حرارة تتراوح من 115 إلى 125 درجة مئوية لمدة 7 إلى 70 دقيقة. يمكن أيضًا القضاء عليها عن طريق التغييرات المتناوبة في درجة الحرارة والضغط ، مثل إنبات الأبواغ متبوعًا بموت البكتيريا النباتية الناتجة.

حمض البيراسيتيك هو أحد أكثر العوامل الكيميائية فعالية لتدمير الأبواغ. اليود ، في صبغة (مذاب في الكحول) أو اليودوفور (متحد مع جزيء عضوي) عادة ما يكون أيضًا مميتًا للأبواغ الداخلية.

يتم تحقيق تدمير الأبواغ في الأدوات الجراحية بشكل فعال من خلال إدخالها في حاوية يتم فيها تحريض البلازما (غاز متحمس غني بالجذور الحرة) ، حيث تتعرض بعض العوامل الكيميائية لضغط سلبي ومجال كهرومغناطيسي.

يتم تدمير الأبواغ الداخلية في الأجسام الكبيرة ، مثل المراتب ، عن طريق تعريضها لعدة ساعات لأكسيد الإيثيلين مع غاز غير قابل للاشتعال.

تستخدم صناعات تجهيز الأغذية ثاني أكسيد الكلور في محلول مائي لتبخير المناطق التي يحتمل أن تكون ملوثة بأبواغ الجمرة الخبيثة.

نتريت الصوديوم المضاف إلى منتجات اللحوم ، والمضاد الحيوي النيسين المضاف إلى الجبن ، يمنعان نمو البكتيريا المنتجة للأبواغ.

الأسلحة البيولوجية والإرهاب البيولوجي

من السهل أن تنمو عصيات الجمرة الخبيثة. لهذا السبب ، تم تضمينه خلال الحربين العالميتين كسلاح بيولوجي في ترسانات ألمانيا وبريطانيا العظمى والولايات المتحدة واليابان والاتحاد السوفيتي.

في عام 1937 ، استخدم الجيش الياباني الجمرة الخبيثة كسلاح بيولوجي ضد المدنيين الصينيين في منشوريا. في عام 1979 ، في سفيردلوفسك ، روسيا ، مات ما لا يقل عن 64 شخصًا من استنشاق أبواغ بطريق الخطأ من سلالة عسكرية من بكتيريا الجمرة الخبيثة. في اليابان والولايات المتحدة ، تم استخدام الجمرة الخبيثة لأغراض إرهابية.

في المقابل ، تُبذل حاليًا محاولات لاستخدام الطلاءات الداخلية كوسيلة للأدوية العلاجية وللمستضدات التي تم إنشاؤها لأغراض التمنيع الوقائي.

المراجع

1. بارتون ، ل.ل.العلاقات الهيكلية والوظيفية في بدائيات النوى. سبرينغر ، نيويورك.
2. بلاك ، جي جي 2008. علم الأحياء الدقيقة: مبادئ واستكشافات. هوبوكين ، نيوجيرسي.
3. Brooks، GF، Butel، JS، Carroll، KC، Morse، SA 2007. علم الأحياء الدقيقة الطبية. ماكجرو هيل ، نيويورك.
4. Cano ، RJ ، Borucki ، MK 1995 ، إحياء وتحديد الجراثيم البكتيرية في كهرمان دومينيكي يبلغ من العمر 25 إلى 40 مليون سنة. علم 268، 1060-1064.
5. Duc، LH، Hong، HA، Fairweather، N.، Ricca، E.، Cutting، SM 2003. الأبواغ البكتيرية كمركبات لقاح. العدوى والمناعة ، 71 ، 2810-2818.
6. Emmeluth ، D. 2010. التسمم الغذائي. Infobase للنشر ، نيويورك.
7. Guilfoile، P. 2008. الكزاز. Infobase للنشر ، نيويورك.
8. جونسون ، إس إس وآخرون. 2007. البكتيريا القديمة تظهر أدلة على إصلاح الحمض النووي. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية ، 104 ، 14401-14405.
9. Kyriacou، DM، Adamski، A.، Khardori، N. 2006. الجمرة الخبيثة: من العصور القديمة والغموض إلى الأوائل في الإرهاب البيولوجي. عيادات الأمراض المعدية في أمريكا الشمالية ، 20 ، 227-251.
10. Nickle DC، Leran، GH، Rain، MW، Mulins، JI، Mittler، JE 2002. الحمض النووي الحديث الغريب لبكتيريا عمرها "250 مليون سنة". مجلة التطور الجزيئي ، 54 ، 134-137.
11. بريسكوت ، إل إم 2002. علم الأحياء الدقيقة. ماكجرو هيل ، نيويورك.
12. Renberg، I.، Nilsson، M. 1992. بكتيريا كامنة في رواسب البحيرة كمؤشرات بيئية قديمة. مجلة علم الحفريات القديمة ، 7 ، 127-135.
13. ريكا ، إي. ، قطع SM. 2003. التطبيقات الناشئة للجراثيم البكتيرية في التكنولوجيا الحيوية النانوية. مجلة التكنولوجيا الحيوية النانوية ، jnanobiotechnology.com
14. شميد ، جي ، كوفمان ، أ. 2002. الجمرة الخبيثة في أوروبا: علم الأوبئة ، والخصائص السريرية ، ودورها في الإرهاب البيولوجي. علم الأحياء الدقيقة السريرية والعدوى ، 8 ، 479-488.
15. Shoemaker ، WR ، Lennon ، JT 2018. التطور مع بنك البذور: العواقب الوراثية السكانية للخمول الميكروبي. التطبيقات التطورية ، 11 ، 60-75.
16. Talaro، KP، Talaro، A. 2002. أسس في علم الأحياء الدقيقة. ماكجرو هيل ، نيويورك.
17. Tortora، GJ، Funke، BR، Case، CL 2010. علم الأحياء الدقيقة: مقدمة. بنيامين كامينغز ، سان فرانسيسكو.
18. Vreeland، RH، Rosenzweig، WD، Powers، DW 2000. عزل بكتيريا مقاومة للهالوت عمرها 250 مليون عام من بلورة الملح الأولية. طبيعة 407 ، 897-900.