الأيض الميكروبي

يشمل الأيض الميكروبي التنوع الهائل للطرق التي تحصل بها الكائنات الدقيقة على الطاقة والكربون، بدءًا من التنفس والتخمر المألوفين وصولًا إلى التغذية الكيميائية الحجرية (chemolithotrophy) والتمثيل الضوئي (photosynthesis) التي توجد بشكل شبه حصري بين بدائيات النوى.

Definition

الأيض الميكروبي هو مجموع العمليات الكيميائية الحيوية التي تحصل بها الكائنات الدقيقة على الطاقة ومواد البناء من بيئتها، ويشمل التفاعلات الهدمية التي تحافظ على الطاقة والتفاعلات البنائية التي تبني المادة الخلوية.

Scope

يغطي هذا المجال مبادئ الطاقة الحيوية للحفاظ على الطاقة، بما في ذلك الفسفرة على مستوى الركيزة والفسفرة التأكسدية والقوة الدافعة للبروتون؛ والتنفس الهوائي وتنوع التنفس اللاهوائي باستخدام مستقبلات إلكترون بديلة؛ ومسارات التخمر؛ والتغذية الكيميائية الحجرية، حيث تعمل المركبات غير العضوية كمصادر للطاقة؛ وتثبيت الكربون الذاتي التغذية؛ والأشكال المتعددة للتمثيل الضوئي الميكروبي. ويؤكد هذا المجال على أن الميكروبات هي الكائنات الأكثر تنوعًا أيضيًا ومحركات الدورات البيوجيوكيميائية.

Sub-topics

• التغذية الكيميائية الحجرية والتغذية الذاتية
• التخمر والتنفس اللاهوائي
• الطاقة الحيوية الميكروبية
• التمثيل الضوئي الميكروبي

Core questions

• ما هي مصادر الطاقة والكربون التي يمكن للكائنات الدقيقة استغلالها؟
• كيف يتم الحفاظ على الطاقة أثناء التنفس والتخمر والتمثيل الضوئي؟
• ما هي مانحات ومستقبلات الإلكترون التي تحدد أنماط الحياة الأيضية الرئيسية؟
• كيف يدفع التنوع الأيضي الميكروبي دورة العناصر في الطبيعة؟

Key theories

النظرية الكيميائية التناضحية

تحافظ الخلايا على الطاقة باستخدام نقل الإلكترونات لضخ البروتونات عبر غشاء، مما يولد قوة دافعة للبروتون تدفع تخليق الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)؛ وهذا يوحد طاقة التنفس والتمثيل الضوئي عبر أنماط الحياة الميكروبية.

التنوع الأيضي لبدائيات النوى

تستغل بدائيات النوى بشكل جماعي مجموعة هائلة من مصادر الطاقة والكربون، بما في ذلك مانحات الإلكترونات غير العضوية ومستقبلات الإلكترونات المتنوعة، مما يمنحها قدرات أيضية غائبة عن حقيقيات النوى وأدوارًا مركزية في الدورات البيوجيوكيميائية.

Mechanisms

تستخلص المسارات الهدمية الطاقة من الركائز إما عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة أو عن طريق نقل الإلكترونات الذي يبني قوة دافعة للبروتون تستخدمها إنزيمات بناء الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP synthase). تحدد طبيعة مانح الإلكترون (عضوي أو غير عضوي) ومستقبل الإلكترون النهائي (الأكسجين أو بدائل مثل النترات أو الكبريتات أو ثاني أكسيد الكربون) النمط الأيضي. تقوم الكائنات ذاتية التغذية بتثبيت الكربون غير العضوي باستخدام الطاقة من الضوء أو الأكسدة الكيميائية، بينما تحافظ الكائنات المخمرة على الطاقة دون مستقبل إلكترون خارجي.

Clinical relevance

يدعم التنوع الأيضي الميكروبي الدورات العالمية للكربون والنيتروجين والكبريت، ويدعم التخمر الصناعي وإنتاج الوقود الحيوي، ويفسر كيف تزدهر الميكروبات في بيئات لا يمكن للحياة الأخرى الوصول إليها، مما يجعل الأيض أساسًا لكل من علم الأحياء الدقيقة البيئي والتطبيقي.

History

تطور دراسة الأيض الميكروبي من اكتشاف فينوغرادسكي (Winogradsky) في القرن التاسع عشر للتغذية الكيميائية الحجرية (chemolithotrophy) ودراسات فان نيل (van Niel) المقارنة للتمثيل الضوئي إلى نظرية بيتر ميتشل (Peter Mitchell) الكيميائية التناضحية (chemiosmotic theory) في الستينيات، والتي قدمت الآلية الموحدة للحفاظ على الطاقة عبر الطيف الأيضي.

Key figures

• Peter Mitchell
• Sergei Winogradsky
• Cornelis van Niel

Seminal works

• madigan2018
• willey2020
• mitchell1966

Frequently asked questions

لماذا تعتبر الميكروبات الكائنات الأكثر تنوعًا أيضيًا؟

يمكن للميكروبات استخدام مجموعة واسعة بشكل استثنائي من مصادر الطاقة، بما في ذلك الضوء والمركبات العضوية والمواد الكيميائية غير العضوية، ويمكنها التنفس باستخدام العديد من مستقبلات الإلكترونات المختلفة. بعض هذه القدرات، مثل التغذية الكيميائية الحجرية (chemolithotrophy) والعديد من أشكال التنفس اللاهوائي، توجد فقط بين بدائيات النوى.

ما هي القوة الدافعة للبروتون؟

القوة الدافعة للبروتون هي تدرج كيميائي كهربائي للبروتونات عبر غشاء، يتولد عن طريق نقل الإلكترونات. تستخدمها الخلايا لدفع تخليق الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) والنقل والحركة، وهي أساسية للحفاظ على الطاقة في التنفس والتمثيل الضوئي.