بوم‌شناسی و تنوع میکروبی

بوم‌شناسی و تنوع میکروبی به بررسی گوناگونی حیرت‌انگیز میکروارگانیسم‌ها، روابط تکاملی آن‌ها، و نقش‌هایی که در جوامع و اکوسیستم‌های سراسر زیست‌کره ایفا می‌کنند، می‌پردازد.

Definition

بوم‌شناسی و تنوع میکروبی مطالعه گوناگونی میکروارگانیسم‌ها، روابط تکاملی آن‌ها، و تعاملاتشان با یکدیگر و با محیط‌هایشان است.

Scope

این حوزه شامل سازماندهی فیلوژنتیکی حیات به سه دامنه بر اساس توالی‌های مولکولی؛ تنوع باکتری‌ها، آرکئاها، و یوکاریوت‌های میکروبی؛ آرکئاها و اکستریموفیل‌هایی که در محیط‌های خشن رشد می‌کنند؛ ساختار و عملکرد جوامع میکروبی و بیوفیلم‌ها؛ میکروبیوم‌های مرتبط با میزبان؛ و روش‌های مولکولی مستقل از کشت که اکثریت کشت‌نشده را آشکار می‌سازند، می‌شود. این حوزه میکروارگانیسم‌ها را به عنوان اساس چرخه‌های بیوژئوشیمیایی و عملکرد اکوسیستم معرفی می‌کند.

Sub-topics

• آرکی‌ها و اکستریموفیل‌ها
• جوامع میکروبی و بیوفیلم‌ها
• تبارزایی میکروبی و سه حوزه حیات
• میکروبیوم‌ها و همبستگی‌های میزبان

Core questions

• میکروارگانیسم‌ها چگونه با یکدیگر و با سایر اشکال حیات مرتبط هستند؟
• چه عواملی گوناگونی وسیع حیات میکروبی را توضیح می‌دهند؟
• جوامع میکروبی چگونه تشکیل و عمل می‌کنند؟
• روش‌های مولکولی چگونه میکروارگانیسم‌هایی را که نمی‌توان کشت کرد، آشکار می‌سازند؟

Key theories

درخت حیات سه دامنه‌ای

مقایسه توالی‌های RNA ریبوزومی نشان داد که حیات به سه دامنه باکتری‌ها (Bacteria)، آرکئاها (Archaea)، و یوکاریا (Eukarya) تقسیم می‌شود، که آرکئاها یک دودمان متمایز را تشکیل می‌دهند و درک روابط تکاملی را بازتعریف کردند.

دیدگاه مولکولی از تنوع میکروبی

توالی‌یابی مستقل از کشت ژن‌های RNA ریبوزومی از محیط نشان داد که اکثریت قریب به اتفاق تنوع میکروبی هرگز کشت نشده بود، که برآوردها از وسعت و ساختار حیات میکروبی را متحول کرد.

Mechanisms

روابط فیلوژنتیکی در میان میکروارگانیسم‌ها از توالی‌های مولکولی حفاظت‌شده، به ویژه ژن‌های RNA ریبوزومی، که به عنوان زمان‌سنج‌های تکاملی عمل می‌کنند، استنتاج می‌شوند. روش‌های مستقل از کشت این ژن‌ها را مستقیماً از نمونه‌های محیطی تکثیر و توالی‌یابی می‌کنند و ترکیب جامعه را بدون نیاز به کشت آشکار می‌سازند. در درون جوامع، میکروارگانیسم‌ها از طریق رقابت، همکاری، و تبادل متابولیکی با یکدیگر تعامل دارند و به صورت مجموعه‌های ساختاریافته‌ای مانند بیوفیلم‌ها و میکروبیوم‌ها سازماندهی می‌شوند که فرآیندهای اکوسیستم را هدایت می‌کنند.

Clinical relevance

جوامع میکروبی چرخه جهانی کربن، نیتروژن، گوگرد، و سایر عناصر را هدایت می‌کنند، حاصلخیزی خاک و کیفیت آب را حفظ می‌کنند، و میکروبیوم‌های مرتبط با میزبان را تشکیل می‌دهند که بر زیست‌شناسی گیاهان و حیوانات تأثیر می‌گذارند، و بدین ترتیب بوم‌شناسی میکروبی را برای علوم محیطی، کشاورزی، و تحقیقات مرتبط با سلامت اساسی می‌سازند.

History

بوم‌شناسی میکروبی توسط وینوگرادسکی و بیجرینک در اواخر قرن نوزدهم بنیان‌گذاری شد. مطالعات RNA ریبوزومی کارل ووز در دهه 1970 سه دامنه حیات و تمایز آرکئاها را آشکار ساخت، و نورمن پیس و دیگران بعدها از روش‌های مولکولی برای نشان دادن این موضوع استفاده کردند که بیشتر تنوع میکروبی در طبیعت کشت‌نشده باقی مانده است.

Key figures

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

Seminal works

• woese1977
• pace1997
• madigan2018

Frequently asked questions

چرا گفته می‌شود بیشتر میکروارگانیسم‌ها قابل کشت نیستند؟

بررسی‌های مولکولی محیط‌های طبیعی تنوع میکروبی بسیار بیشتری را نسبت به آنچه می‌توان در آزمایشگاه رشد داد، شناسایی می‌کنند، زیرا بیشتر میکروارگانیسم‌ها نیازهای رشد خاص یا ناشناخته‌ای دارند. توالی‌یابی مستقل از کشت این ارگانیسم‌ها را حتی اگر کشت نشده باشند، آشکار می‌سازد.

سه دامنه حیات کدامند؟

بر اساس مقایسه‌های توالی مولکولی، حیات به سه دامنه تقسیم می‌شود: باکتری‌ها (Bacteria)، آرکئاها (Archaea)، و یوکاریا (Eukarya). آرکئاها پروکاریوت‌هایی هستند که یک دودمان متمایز از باکتری‌ها را تشکیل می‌دهند، کشفی که دیدگاه‌ها در مورد روابط تکاملی را بازتعریف کرد.