البيئة الميكروبية والتنوع الميكروبي

تدرس البيئة الميكروبية والتنوع الميكروبي التنوع الهائل للكائنات الدقيقة، وعلاقاتها التطورية، والأدوار التي تلعبها في المجتمعات والأنظمة البيئية عبر المحيط الحيوي.

Definition

البيئة الميكروبية والتنوع الميكروبي هي دراسة تنوع الكائنات الدقيقة، وعلاقاتها التطورية، وتفاعلاتها مع بعضها البعض ومع بيئاتها.

Scope

يغطي هذا المجال التنظيم الفيلوجيني للحياة إلى ثلاثة نطاقات بناءً على التسلسلات الجزيئية؛ وتنوع البكتيريا، والعتائق، وحقيقيات النوى الميكروبية؛ والعتائق والكائنات المحبة للظروف القاسية التي تزدهر في البيئات القاسية؛ وبنية ووظيفة المجتمعات الميكروبية والأغشية الحيوية؛ والميكروبيومات المرتبطة بالمضيف؛ والأساليب الجزيئية المستقلة عن الزراعة التي تكشف عن الأغلبية غير المزروعة. ويؤطر هذا المجال الكائنات الدقيقة كأساس للدورات البيوجيوكيميائية ووظيفة النظام البيئي.

Sub-topics

• البدائيات ومحبات الظروف القاسية
• المجتمعات الميكروبية والأغشية الحيوية
• تطور الكائنات الدقيقة والمجالات الثلاثة
• الميكروبيومات والارتباطات المضيفة

Core questions

• كيف ترتبط الكائنات الدقيقة ببعضها البعض وبالحياة الأخرى؟
• ما الذي يفسر التنوع الهائل للحياة الميكروبية؟
• كيف تتجمع المجتمعات الميكروبية وتعمل؟
• كيف تكشف الأساليب الجزيئية عن الكائنات الدقيقة التي لا يمكن زراعتها؟

Key theories

شجرة الحياة ذات النطاقات الثلاثة

كشفت مقارنة تسلسلات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA) أن الحياة تنقسم إلى ثلاثة نطاقات، البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى، مع تشكيل العتائق لسلالة مميزة، مما أعاد تشكيل فهم العلاقات التطورية.

الرؤية الجزيئية للتنوع الميكروبي

أظهر التسلسل المستقل عن الزراعة لجينات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA) من البيئة أن الغالبية العظمى من التنوع الميكروبي لم تُزرع قط، مما غير تقديرات مدى وهيكل الحياة الميكروبية.

Mechanisms

تُستنتج العلاقات الفيلوجينية بين الكائنات الدقيقة من التسلسلات الجزيئية المحفوظة، وخاصة جينات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA)، والتي تعمل كساعات تطورية. تقوم الطرق المستقلة عن الزراعة بتضخيم وتسلسل هذه الجينات مباشرة من العينات البيئية، مما يكشف عن تركيب المجتمع دون الحاجة للزراعة. ضمن المجتمعات، تتفاعل الكائنات الدقيقة من خلال المنافسة، والتعاون، والتبادل الأيضي، وتنتظم في تجمعات منظمة مثل الأغشية الحيوية والميكروبيومات التي تدفع عمليات النظام البيئي.

Clinical relevance

تدفع المجتمعات الميكروبية الدورة العالمية للكربون والنيتروجين والكبريت وعناصر أخرى، وتحافظ على خصوبة التربة وجودة المياه، وتشكل ميكروبيومات مرتبطة بالمضيف تؤثر على بيولوجيا النباتات والحيوانات، مما يجعل البيئة الميكروبية أساسية للعلوم البيئية والزراعة والبحوث المتعلقة بالصحة.

History

تأسست البيئة الميكروبية على يد وينوجرادسكي وبيجيرينك في أواخر القرن التاسع عشر. كشفت دراسات كارل ووز للحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA) في السبعينيات عن النطاقات الثلاثة للحياة وتميز العتائق، واستخدم نورمان بيس وآخرون لاحقًا الأساليب الجزيئية لإظهار أن معظم التنوع الميكروبي في الطبيعة لا يزال غير مزروع.

Key figures

• Carl Woese
• Norman Pace
• Sergei Winogradsky
• Martinus Beijerinck

Seminal works

• woese1977
• pace1997
• madigan2018

Frequently asked questions

لماذا يُقال إن معظم الكائنات الدقيقة غير قابلة للزراعة؟

تكشف المسوحات الجزيئية للبيئات الطبيعية عن تنوع ميكروبي أكبر بكثير مما يمكن زراعته في المختبر، لأن معظم الكائنات الدقيقة لديها متطلبات نمو محددة أو غير معروفة. يكشف التسلسل المستقل عن الزراعة عن هذه الكائنات على الرغم من أنها لم تُزرع.

ما هي النطاقات الثلاثة للحياة؟

بناءً على مقارنات التسلسل الجزيئي، تنقسم الحياة إلى ثلاثة نطاقات: البكتيريا (Bacteria)، والعتائق (Archaea)، وحقيقيات النوى (Eukarya). العتائق هي بدائيات نوى تشكل سلالة مميزة عن البكتيريا، وهو اكتشاف أعاد تشكيل وجهات النظر حول العلاقات التطورية.