معلومة

5: البكتيريا - المكونات الداخلية - علم الأحياء

5: البكتيريا - المكونات الداخلية - علم الأحياء


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.

لقد قمنا بالفعل بتغطية المكونات الداخلية الرئيسية الموجودة في جميع البكتيريا ، وهي السيتوبلازم والنيوكليويد والريبوزومات. تذكر أنه يُعتقد عمومًا أن البكتيريا تفتقر إلى العضيات ، تلك الأجزاء المرتبطة بغشاء ثنائي الشحوم منتشرة جدًا في الخلايا حقيقية النواة (على الرغم من أن بعض العلماء يجادلون بأن البكتيريا تمتلك هياكل يمكن اعتبارها عضيات بسيطة). لكن يمكن أن تكون البكتيريا أكثر تعقيدًا ، مع وجود مجموعة متنوعة من المكونات الداخلية الإضافية التي يمكن أن تسهم في قدراتها. معظم هذه المكونات حشوية ولكن بعضها محيطي ، وتقع في الفراغ بين السيتوبلازم والغشاء الخارجي في البكتيريا سالبة الجرام.

الهيكل الخلوي

كان يعتقد في الأصل أن البكتيريا تفتقر إلى الهيكل الخلوي، مكون مهم من الخلايا حقيقية النواة. ومع ذلك ، اكتشف العلماء في العشرين عامًا الماضية خيوطًا بكتيرية مصنوعة من بروتينات تشبه بروتينات الهيكل الخلوي الموجودة في حقيقيات النوى. كما تم تحديد أن الهيكل الخلوي البكتيري يلعب أدوارًا مهمة في شكل الخلية وانقسام الخلية وسلامة جدار الخلية.

FtsZ

FtsZ، متماثل لبروتين حقيقيات النواة توبولين، تشكل بنية حلقية في منتصف الخلية أثناء انقسام الخلية ، وتجذب البروتينات الأخرى إلى المنطقة من أجل بناء حاجز يفصل في النهاية الخليتين الناشئتين.

MreB

MreB، متماثل لبروتين حقيقيات النوى الأكتين، موجود في العصيات والبكتيريا الحلزونية ويلعب دورًا أساسيًا في تكوين شكل الخلية. يفترض MreB تكوينًا حلزونيًا يمتد على طول الخلية ويفرض أنشطة آلية تخليق الببتيدوغليكان ، مما يضمن شكلًا غير كروي.

Crescentin

Crescentin، متماثل للبروتينات حقيقية النواة لامين و الكيراتين، موجود في بكتيريا حلزونية الشكل ذات منحنى واحد. يتجمع البروتين طوليًا في الانحناء الداخلي للخلية ، مما يؤدي إلى ثني الخلية في شكلها النهائي.

هياكل الهيكل الخلوي.

الادراج

جرثومي الادراج يتم تعريفها عمومًا على أنها بنية مميزة تقع إما داخل السيتوبلازم أو محيط الخلية. يمكن أن تتراوح في التعقيد ، من تجميع بسيط للمواد الكيميائية مثل البلورات ، إلى الهياكل المعقدة إلى حد ما التي تبدأ في منافسة تلك الموجودة في العضيات حقيقية النواة ، كاملة مع طبقة خارجية غشائية. غالبًا ما يكون دورها هو تخزين المكونات كاحتياطي أيضي للخلية عندما يتم العثور على مادة زائدة ، ولكن يمكنها أيضًا أن تلعب دورًا في وظائف الحركة والتمثيل الغذائي أيضًا.

تخزين الكربون

الكربون هو المادة الأكثر شيوعًا التي يتم تخزينها بواسطة الخلية ، نظرًا لأن جميع الخلايا تعتمد على الكربون. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن غالبًا تكسير مركبات الكربون بسرعة بواسطة الخلية ، بحيث يمكن أن تكون بمثابة مصادر للطاقة أيضًا. واحدة من أبسط وأشهر الادراج لتخزين الكربون الجليكوجين، حيث يتم ربط وحدات الجلوكوز معًا في هيكل متعدد السكاريد متعدد الفروع.

طريقة أخرى شائعة لتخزين البكتيريا هي في شكل بولي هيدروكسي بوتيرات (PHB)، حبيبة تتشكل عندما تتجمع وحدات حمض هيدروكسي بيوتيريك معًا. هذا الدهن شبيه جدًا بالبلاستيك في التركيب ، مما دفع بعض العلماء إلى التحقيق في إمكانية استخدامه كبلاستيك قابل للتحلل الحيوي. تحتوي حبيبات PHB في الواقع على غلاف مكون من كل من البروتين وكمية صغيرة من الفوسفوليبيد. يتكون كل من الجليكوجين و PHB عندما يكون هناك فائض من الكربون ثم يتم تفكيكه بواسطة الخلية لاحقًا لكل من الكربون والطاقة.

التخزين غير العضوي

غالبًا ما تحتاج البكتيريا إلى شيء آخر غير الكربون ، إما لتخليق مكونات الخلية أو كاحتياطي طاقة بديل. حبيبات بولي فوسفات السماح بتراكم الفوسفات غير العضوي (PO43-) ، حيث يمكن استخدام الفوسفات لصنع الحمض النووي (تذكر أن السكر-فوسفات العمود الفقري؟) أو ATP (ثلاثي الأدينوزينفوسفات، بالطبع).

تحتاج الخلايا الأخرى إلى الكبريت كمصدر للإلكترونات لعملية التمثيل الغذائي الخاصة بها وسوف تخزن الكبريت الزائد في شكل كريات الكبريت، والتي تنتج عندما تؤكسد الخلية كبريتيد الهيدروجين (H2S) إلى كبريت عنصري (S0) ، مما يؤدي إلى تكوين شوائب انكسارية.

وظائف غير التخزين

هناك أوقات تحتاج فيها البكتيريا إلى القيام بشيء يتجاوز التخزين البسيط للمركبات العضوية أو غير العضوية لاستخدامها في التمثيل الغذائي وهناك شوائب للمساعدة في هذه الوظائف غير التخزينية. أحد الأمثلة على ذلك هو فجوات الغاز، والتي تستخدمها الخلية للتحكم في الطفو في عمود مائي ، مما يوفر للخلية بعض التحكم في مكان وجودها في البيئة. إنه شكل محدود من الحركة ، على المحور الرأسي فقط. تتكون فجوات الغاز من تكتلات من حويصلات غازية، هياكل أسطوانية مجوفة وصلبة. تكون حويصلات الغاز قابلة للاختراق بحرية لجميع أنواع الغازات عن طريق الانتشار السلبي ويمكن بناؤها أو انهيارها بسرعة ، حسب حاجة الخلية للصعود أو النزول.

مغناطيسي هي شوائب تحتوي على سلاسل طويلة من أكسيد الحديد الأسود (Fe3O4) ، والتي تستخدمها الخلية كبوصلة في المجالات المغناطيسية الأرضية ، للتوجيه داخل بيئتها. عادة ما تكون البكتيريا المغناطيسية ميكرويروفيليك، مفضلين بيئة ذات مستوى أكسجين أقل من الغلاف الجوي. يسمح magenetosome للخلايا بتحديد العمق الأمثل لنموها. تحتوي Magenetosomes على طبقة ثنائية دهنية حقيقية ، تذكرنا بالعضيات حقيقية النواة ، ولكنها في الواقع عبارة عن غزو لغشاء البلازما للخلية الذي تم تعديله ببروتينات معينة.

شقق صغيرة

الأجزاء الدقيقة البكتيرية (BMCs) فريدة من نوعها عن غيرها من الادراج بحكم هيكلها ووظائفها. وهي ذات شكل عشري الوجوه وتتكون من غلاف بروتيني مكون من بروتينات مختلفة في عائلة BMC. في حين أن دورهم الدقيق يختلف ، فإنهم جميعًا يشاركون في وظائف تتجاوز مجرد تخزين المواد. توفر هذه الحجيرات كلاً من الموقع والمواد (عادةً الإنزيمات) اللازمة لأنشطة أيضية معينة.

أفضل مثال مدروس على BMC هو كربوكسيسوم، والتي توجد في العديد من البكتيريا المثبتة لثاني أكسيد الكربون. تحتوي الكربوكسيسومات على الإنزيم كربوكسيلاز ريبولوز-1،5-ثنائي الفوسفات (لحسن الحظ ، يُعرف أيضًا باسم روبيسكو) ، والذي يلعب دورًا مهمًا في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكر. يلعب carboxysome أيضًا دورًا في تركيز ثاني أكسيد الكربون ، وبالتالي ضمان أن المكونات الضرورية لتثبيت ثاني أكسيد الكربون موجودة في نفس المكان في نفس الوقت.

أناموكسوسوم

ال أناموكسوسوم هي حجرة كبيرة مرتبطة بغشاء موجودة في الخلايا البكتيرية قادرة على تنفيذ تفاعل annamox (االهوائية صباحامونيوم ثورidation) ، حيث يتم تحويل الأمونيوم (NH4 +) والنتريت (NO2-) إلى غاز ثنائي النيتروجين (N2). يتم تنفيذ العملية كطريقة للحصول على الطاقة للخلية ، باستخدام الأمونيوم كمانح للإلكترون والنيتريت كإلكترون يقبل ، مع إنتاج غاز النيتروجين الناتج. هذا التحويل الكيميائي للنيتروجين مهم لدورة النيتروجين.

دورة النيتروجين. بواسطة Shou-Qing Ni و Jian Zhang [CC BY 3.0] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

كلوروسوم

وجدت في بعض البكتيريا الضوئية ، أ الكلوروسوم هو هيكل عالي الكفاءة لالتقاط شدة الإضاءة المنخفضة. تبطن المحيط الداخلي لغشاء الخلية ، يمكن أن يحتوي كل كلوروسوم على ما يصل إلى 250000 جزيء جرثومي من الكلوروفيل ، مرتبة في مصفوفات كثيفة. يتم نقل الضوء المقطوع إلى مراكز التفاعل في غشاء الخلية ، مما يسمح بالتحويل من الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية على شكل ATP. يحد الكلوروسوم بطبقة دهنية أحادية.

بلازميد

أ بلازميد هي قطعة خارج صبغية من الحمض النووي تمتلكها بعض البكتيريا ، بالإضافة إلى المادة الوراثية الموجودة في النواة. يتكون من DNA مزدوج الشريطة ويكون دائريًا بشكل نموذجي ، على الرغم من العثور على البلازميدات الخطية. توصف البلازميدات بأنها "غير ضرورية" للخلية ، حيث يمكن للخلية أن تعمل بشكل طبيعي في غيابها. ولكن بينما لا تحتوي البلازميدات إلا على عدد قليل من الجينات ، فإنها يمكن أن تمنح الخلية قدرات مهمة ، مثل مقاومة المضادات الحيوية. تتكاثر البلازميدات بشكل مستقل عن الخلية ويمكن أن تُفقد (تُعرف باسم علاج) ، إما تلقائيًا أو بسبب التعرض لظروف معاكسة ، مثل ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، أو جوع الثايمين ، أو النمو فوق الظروف المثلى. بعض البلازميدات ، والمعروفة باسم الحلقات، يمكن دمجه في كروموسوم الخلية حيث سيتم تكرار الجينات أثناء انقسام الخلية.

إندوسبور

ثم هناك ملف إندوسبوري، أعجوبة الهندسة البكتيرية. يقع هذا تحت عنوان "المكونات الداخلية البكتيرية" ، ولكن من المهم ملاحظة أن البوغ الداخلي ليس بنية داخلية أو خارجية بقدر ما هو تحويل للخلية إلى شكل بديل. تبدأ الخلايا كخلية نباتية ، تقوم بكل الأشياء التي من المفترض أن تقوم بها الخلية (التمثيل الغذائي ، التكاثر ، قص العشب ...). إذا تعرضوا لظروف معادية (جفاف ، حرارة عالية ، جار غاضب ...) و لديهم القدرة ، فقد يتحولون من خلية نباتية إلى بوغ داخلي. يتكون البوغ الداخلي فعليًا داخل الخلية النباتية (ألا يجعله ذلك هيكلًا داخليًا؟) ثم تحلل الخلية الخضرية ، مما يؤدي إلى إطلاق البوغ الداخلي (هل هذا يجعله هيكلًا خارجيًا؟).

طبقات Endospore.

تتكون الإندوسبورات فقط من بضعة أجناس موجبة الجرام وتوفر للخلية مقاومة لمجموعة متنوعة من الظروف القاسية ، مثل الجوع ، والتغيرات الشديدة في درجة الحرارة ، والتعرض للجفاف ، والأشعة فوق البنفسجية ، والمواد الكيميائية ، والإنزيمات ، والإشعاع. بينما ال الخلية النباتية هو الشكل النشط للخلايا البكتيرية (النمو ، الأيض ، إلخ) ، يمكن اعتبار البوغ على أنه شكل خامل من الخلية. إنه يسمح بالبقاء على قيد الحياة في الظروف المعاكسة ، لكنه لا يسمح للخلية بالنمو أو التكاثر.

بنية

من أجل أن تكون مقاومة بشكل لا يصدق للعديد من المواد المختلفة والظروف البيئية ، فإن العديد من الطبقات المختلفة ضرورية. يحتوي الأبواغ البكتيرية على العديد من الطبقات المختلفة ، بدءًا من أ جوهر في المركز. اللب هو موقع النواة والريبوسومات والسيتوبلازم في الخلية ، في شكل شديد الجفاف. يحتوي عادةً على 25٪ فقط من الماء الموجود في الخلية النباتية ، مما يزيد من مقاومة الحرارة. يتم حماية الحمض النووي بشكل أكبر من خلال وجود بروتينات صغيرة قابلة للذوبان في الحمض (SASPs)، التي تعمل على استقرار الحمض النووي وتحميه من التدهور. يتم زيادة استقرار الحمض النووي بوجود حمض ديبيكولينك معقد بالكالسيوم (Ca-DPA) ، والذي يتم إدراجه بين قواعد الحمض النووي. النواة ملفوفة في الغشاء الداخلي الذي يوفر حاجزًا للنفاذية للمواد الكيميائية ، والذي يحيط به بعد ذلك القشرة، طبقة سميكة تتكون من ببتيدوغليكان مع أقل تشابكًا مما هو موجود في الخلية النباتية. القشرة ملفوفة في الغشاء الخارجي.أخيرا عدة معاطف بوغ مصنوع من البروتين الذي يوفر الحماية من الإجهاد البيئي مثل المواد الكيميائية والإنزيمات.

التبويض: التحويل من الخلية الخضرية إلى البوغ الداخلي

التجرثم، يحدث تحول الخلية الخضرية إلى بوغ داخلي شديد الحماية ، عادةً عندما يكون بقاء الخلية مهددًا بطريقة ما. العملية الفعلية معقدة للغاية وتستغرق عادةً عدة ساعات حتى اكتمالها. في البداية تقوم الخلايا المبوغة بتكرار الحمض النووي الخاص بها ، كما لو كانت على وشك الخضوع لانقسام الخلية. يتشكل الحاجز بشكل غير متماثل ، مما يؤدي إلى عزل نسخة واحدة من الكروموسوم في أحد طرفي الخلية (يسمى مقدما). يحدث تخليق المواد الخاصة بالبوابة الداخلية ، مما يؤدي إلى تغيير الجزء الأمامي ويؤدي إلى تطوير طبقات محددة لبؤرة داخلية ، بالإضافة إلى الجفاف. في النهاية تكون "الخلية الأم" عبارة عن ليسيات ، مما يسمح بإطلاق البوغ الداخلي الناضج في البيئة.

التجرثم.

التحويل من بوغ داخلي إلى خلية نباتية

يظل البوغ كاملاً حتى تتحسن الظروف البيئية ، مما يتسبب في حدوث تغيير كيميائي يبدأ في التعبير الجيني. هناك ثلاث مراحل متميزة في التحول من البوغ الداخلي إلى الخلايا الخضرية النشطة الأيضية: 1) التنشيط، وهي خطوة تحضيرية يمكن أن تبدأ عن طريق تطبيق الحرارة ؛ 2) إنبات، عندما يصبح البوغ نشطًا أيضيًا ويبدأ في امتصاص الماء ؛ 3) ثمرة، عندما تنبثق الخلية النباتية بالكامل من قشرة الأبواغ الداخلية.

الكلمات الدالة

الهيكل الخلوي ، FtsZ ، التوبولين ، MreB ، الأكتين ، الهلالين ، اللامين ، الكيراتين ، التضمين ، الجليكوجين ، بولي بيتا هيدروكسي بوتيرات (PHB) ، حبيبات متعددة الفوسفات ، كريات الكبريت ، فجوة غازية ، حويصلة غازية ، جسيم مغناطيسي ، جزيئات مجهرية ، جزيئات مجهرية BMCs) ، كربوكسيسوم ، كربوكسيلاز ريبولوز -1،5-ثنائي فوسفات ، روبيسكو ، أناموكسوسوم ، تفاعل أناموكس ، كلوروسوم ، بلازميد ، علاج ، episome ، endospore ، خلية نباتية ، جوهر ، بروتينات صغيرة قابلة للذوبان في الأحماض (SASPs) ، حمض ديبيكولينك ، Ca- DPA ، الغشاء الداخلي ، القشرة ، الغشاء الخارجي ، المعطف البوغ ، الأبواغ ، التجهيز المسبق ، التنشيط ، الإنبات ، النمو.

أسئلة / أهداف أساسية

  1. ما هي أدوار وتكوين الهيكل الخلوي البكتيري؟ كيف يختلف عن الهيكل الخلوي حقيقيات النوى؟ ما هي بروتينات الهيكل الخلوي البكتيرية المحددة وما هي التفاصيل المعروفة عن كل منها؟
  2. ما هو الغرض من الادراج الموجودة في البكتيريا؟ ما هي خصائصهم؟
  3. ما هي الأمثلة المحددة لشوائب التخزين الموجودة في البكتيريا؟ كن قادرًا على وصف كل نوع من حيث الهيكل والغرض.
  4. ما هي الادراج الأخرى الموجودة في البكتيريا؟ كن قادرًا على وصف كل نوع من حيث الهيكل والغرض.
  5. كيف تختلف الأجزاء الدقيقة عن الادراج؟ ما هي الأمثلة المحددة؟ ما هو التكوين والغرض؟
  6. ما هي الأناموكسوسومات؟ ما هو تكوينها والغرض منها؟
  7. ما هي البلازميدات وما هي خصائصها؟ ما هي الحلقات؟ ما هو العلاج وما أسبابه؟
  8. ما هي الأبواغ البكتيرية؟ ما هو هدفهم؟ ما هي الخصائص التي لديهم؟ ما هي الطبقات المختلفة لبوابة داخلية وما الدور الذي تلعبه كل طبقة؟

أسئلة استكشافية (اختياري)

  1. ما هي البنى البكتيرية التي يمكن أن تكون مفيدة للعلماء في معالجة المشاكل المجتمعية؟

تقلص للبقاء على قيد الحياة: البكتيريا تتكيف مع نمط حياة في حالة تغير مستمر

نزهات الصيف وحفلات الشواء على بعد أسابيع قليلة فقط! بقدر ما أنت متحمس للانغماس هذا الصيف ، الإشريكية القولونية تتوق البكتيريا إلى تناول الطعام في بوفيه كل ما يمكنك تناوله الذي هم على وشك تجربته في أمعائك.

ومع ذلك ، سيحدث شيء غير متوقع مثل بكتريا قولونية الخلايا تنهي رحلتها عبر الجهاز الهضمي. دون سابق إنذار ، سوف يجدون أنفسهم يسبحون في المرحاض الخاص بك ، ويتشبثون بآخر أجزاء من العناصر الغذائية المرتبطة بأجسامهم. كيف تتكيف هذه الكائنات الدقيقة للنجاة من المجاعة المفاجئة؟ تساءل العلماء في جامعة واشنطن في سانت لويس.

الفحص الدقيق للمغذيات المحرومة بكتريا قولونية تحت المجهر - وهي عملية روتينية في المختبر تدرس حجم الخلية البكتيرية - كشفت عن خلايا تبدو مختلفة ، وأن هذه الاختلافات مرتبطة بقدرتها على البقاء.

قالت بيترا ليفين ، أستاذة علم الأحياء في الآداب والعلوم ، التي يعمل بها عالم ما بعد الدكتوراه ، كوري ويستفول: وكان الطالب الجامعي جيسي كاو أول من قام بهذه الملاحظة.

الفراغ الذي يشير إليه ليفين ، بين الأغشية الداخلية والخارجية للبكتيريا ، يسمى بيريبلازم. بالتعاون مع Kerwyn Casey Huang ، أستاذ الهندسة الحيوية وعلم الأحياء الدقيقة والمناعة في جامعة ستانفورد ، وعالمه ما بعد الدكتوراه ، Handuo Shi ، وجد ليفين استجابة تطورية غير متوقعة للمجاعة - استجابة قد تحافظ على بكتريا قولونية على قيد الحياة حتى يجدون بوفيههم التالي.

تم نشر العمل هذا الأسبوع في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

أظهر علماء الأحياء ذلك متى بكتريا قولونية تفتقر الخلايا إلى العناصر الغذائية ، ويصبح السيتوبلازم أكثر كثافة مع انخفاض حجمه ، ربما بسبب فقدان الماء. في الوقت نفسه ، يزداد حجم محيط البلازما حيث ينسحب الغشاء الداخلي بعيدًا عن الغشاء الخارجي.

وقال ليفين: "على الرغم من أننا لا نعرف على وجه اليقين حتى الآن ، إلا أننا نعتقد أن الخلية تركز العناصر الغذائية في السيتوبلازم بحيث يمكنها الاستمرار في تشغيل عملية التمثيل الغذائي بمعدل مرتفع". "ربما هذا هو التكيف مع بكتريا قولونيةأسلوب حياة يتغير باستمرار وبسرعة ، حيث يعرف أن كل بيئة مؤقتة ".

وجد العلماء أن الانكماش قابل للانعكاس. بمجرد نقل البكتيريا المتعطشة إلى وسط غني بالمغذيات ، تمدد الغشاء الداخلي والسيتوبلازم. انتعشت الخلايا البكتيرية بسرعة من الجوع ، خاصة عندما بكتريا قولونية حصلوا على مصدر الكربون المفضل لديهم ، الجلوكوز. والأهم من ذلك ، إذا كان نظام تول بال سليمًا.

نظام Tol-Pal عبارة عن آلية خلوية مهمة تتكون من بروتينات تربط الغشاء الخارجي بالغشاء الداخلي. لكن وظيفتها لم تُدرس بشكل جيد. مع توسع الغشاء الداخلي ، يساعد نظام Tol-Pal في إعادة توصيله بالغشاء الخارجي ، كما يتكهن العلماء. عندما غاب نظام Tol-Pal ، نزفت المحتويات الداخلية للخلايا.

قال ليفين: "نتوقع أن يعمل تول بال كمنزلق سحاب ، مما يساعد الغشاء الداخلي على الانزلاق في طبقة الغشاء الخارجي أثناء التعافي".

ماذا يحدث لبروتينات الغشاء المضمنة في كل من الغشاء الداخلي والخارجي عندما ينسحب الغشاء الداخلي بعيدًا عن الغشاء الخارجي؟ هل يتمزقون؟ ليفين وزملاؤه لا يعرفون حتى الآن ويأملون في الإجابة على هذه الأسئلة في المستقبل.


بيولوجيا الخلية ومكوناتها الداخلية

1. حدد نوعين مختلفين من الكائنات الحية التي رأيتها تتفاعل ، مثل النحل والزهور. الآن قم بتشكيل فرضية بسيطة حول هذا التفاعل. استخدم الأسلوب العلمي وخيالك لتصميم تجربة تختبر هذه الفرضية. تأكد من تحديد المتغيرات والتحكم فيها.

1 أ
اختر الجزيء. ضع قائمة بالذرات التي يتكون منها هذا الجزيء وقم بوصف نوع الرابطة التي تربط تلك الذرات ببعضها البعض. تأكد من شرح كيفية عمل هذه الرابطة.

2.
1. سلامة غشاء البلازما ضرورية لبقاء الخلية. هل يمكن للجهاز المناعي أن يستخدم هذه الحقيقة لتدمير الخلايا الغريبة التي غزت الجسم؟ كيف يمكن لخلايا الجهاز المناعي تعطيل أغشية الخلايا الغريبة؟ (تلميحان: يمكن لجميع الخلايا تقريبًا إفراز البروتينات ، وتشكل بعض البروتينات مسامًا في الأغشية).
2. معظم الخلايا صغيرة جدًا. ما هي القيود الفيزيائية والاستقلابية التي تحد من حجم الخلية؟ ما هي المشاكل التي قد تواجهها خلية ضخمة؟ ما هي التكيفات التي قد تساعد خلية كبيرة جدًا على البقاء؟
3.عندما يأكل الدب البني سمك السلمون ، هل يكتسب الدب كل الطاقة الموجودة في جسم السمكة؟ لما و لما لا؟ ما الآثار التي قد تترتب على هذه الإجابة في رأيك بالنسبة للوفرة النسبية (بالوزن) للحيوانات المفترسة وفرائسها؟ هل يساعد القانون الثاني للديناميكا الحرارية في شرح عنوان الكتاب ، لماذا تعتبر الحيوانات الشرسة الكبيرة نادرة؟
4. يتم استدعاؤك أمام لجنة الطرق والوسائل بمجلس النواب لشرح سبب استمرار وزارة الزراعة الأمريكية في تمويل أبحاث التركيب الضوئي. كيف تبرر تكلفة إنتاج الإنزيم الذي يحفز تفاعل RuBP مع CO2 من خلال الهندسة الوراثية ويمنع RuBP من التفاعل مع الأكسجين وكذلك ثاني أكسيد الكربون؟ ما هي الفوائد التطبيقية المحتملة لهذا البحث؟
بعض أنواع البكتيريا التي تعيش على سطح الرواسب في قاع البحيرات هي كائنات لاهوائية اختيارية ، أي أنها قادرة على التنفس الهوائي أو اللاهوائي. كيف سيتغير التمثيل الغذائي خلال فصل الصيف عندما تصبح المياه العميقة ناقصة الأكسجين (غير مؤكسجة)؟ إذا استمرت البكتيريا في النمو بنفس المعدل ، فهل سيزداد تحلل السكر أو ينقص أو يظل كما هو بعد أن تصبح البحيرة خالية من الأكسجين؟ اشرح السبب.

© BrainMass Inc. brainmass.com 4 مارس 2021 ، 6:11 مساءً ad1c9bdddf
https://brainmass.com/biology/research-methods-and-experimental-design/cell-biology-and-its-internal-components-33804

معاينة الحل

مرحبًا بكم في Brainmass!
1. إعداد تجريبي لاختبار انجذاب النحل للزهور:

الملاحظة:
يزور النحل الزهور على شجيرة واحدة بشكل متكرر أكثر من الشجيرة الأخرى. هل الرائحة الحلوة أم لون الأزهار هو ما يجذب النحل؟

الفروض:
1. ينجذب النحل إلى الرائحة الحلوة (محتوى السكر من الأزهار).
2. ينجذب النحل إلى لون الأزهار.

مجموعة الضبط التجريبية والتحكم:
في الإعداد التجريبي ، المتغير التجريبي موجود. في إعداد التحكم ، المتغير التجريبي مفقود.
لاختبار الفرضية الأولى حول ما إذا كان النحل ينجذب إلى السكر ، يجب إعداد مجموعتين من الزهور. على سبيل المثال ، بالنسبة للإعداد 1 ، يجب استخدام زهرة صفراء ووضع الماء العادي في مركزها. يجب وضع علامة على هذا على أنه إعداد التحكم. يجب أن يكون للتكوين الآخر ، الذي سيتم تسميته بالإعداد التجريبي ، زهرة متطابقة مع محلول سكر موضوع في مركزها. وجود السكر هو المتغير التجريبي في هذه الحالة.

لاختبار الفرضية الثانية حول ما إذا كان النحل ينجذب إلى لون الأزهار ، يجب أن تحتوي مجموعتان من الأزهار على محلول سكر في وسط كل زهرة. يجب أن يحتوي جهاز التحكم على زهرة صفراء مع محلول سكر. يجب أن يسمى هذا على أنه إعداد التحكم. ويختلف لون الزهرة الأخرى التي يوضع محلول السكر في وسطها مع الزهرة الأولى. على سبيل المثال ، زهرة زرقاء اللون. يجب أن يسمى هذا الإعداد التجريبي ، لأنه يحتوي على المتغير التجريبي في هذه الحالة: اللون.

تنبؤ:
(سيتم بعد ذلك إجراء توقع منطقي في شكل & quotIF. ثم بيان. يقترح هذا البيان ما سيحدث إذا كانت الفرضية صحيحة & gt
توقع الفرضية 1: إذا انجذب النحل إلى محلول السكر ، فسيكون هناك نحل على زهرة التجربة أكثر من زهرة التحكم.
توقع الفرضية 2: إذا انجذب النحل إلى اللون الأزرق ، فسيكون هناك المزيد.

ملخص الحل

يعالج هذا الحل المتعمق مفاهيم بيولوجيا الخلية للبنية الداخلية ، وقضايا المساحة السطحية والخلايا المناعية. كما يشرح عملية التنفس الهوائي واللاهوائي.


المكونات البكتيرية العقدية في علاج السرطان

يتزايد معدل الإصابة بالسرطان بشكل مطرد في جميع أنحاء العالم ، وهناك حاجة ملحة لتطوير استراتيجيات علاج جديدة وأكثر فعالية. في الآونة الأخيرة ، تم التحقيق في العلاج البكتيري كنهج جديد لاستهداف السرطان ، وأصبح خيارًا جادًا. سلالات المكورات العقدية هي من بين البكتيريا الضارة الأكثر شيوعًا والتي تمت دراستها جيدًا والتي تسبب مجموعة متنوعة من العدوى البشرية. لقد عانى كل شخص من التهاب الحلق خلال حياته ، أو تم استعماره بدون أعراض بالمكورات العقدية. تم اكتشاف قدرة بكتيريا Streptococcus على محاربة السرطان منذ أكثر من 100 عام ، وخضعت على مر السنين لتجارب إكلينيكية ، لكن الآلية لم يتم فهمها تمامًا بعد. في الآونة الأخيرة ، تم الإبلاغ عن العديد من النماذج الحيوانية والتجارب السريرية البشرية. يمكن أن يكون لسلالات المكورات العقدية نشاط جوهري مضاد للورم ، أو يمكن أن تنشط الجهاز المناعي المضيف لمحاربة الورم. يمكن أن تتراكم البكتيريا بشكل انتقائي وتتكاثر في مناطق الأورام الصلبة ناقصة التأكسج. علاوة على ذلك ، يمكن تعديل البكتيريا وراثيًا لإفراز السموم أو الإنزيمات التي يمكنها مهاجمة الأورام على وجه التحديد.


النمذجة الرياضية تحدد تطور الأغشية الحيوية البكتيرية

يمكن للعديد من البكتيريا أن تلتصق بالأسطح الصلبة وتنقسم حتى تشكل ذريتها بنية تسمى الأغشية الحيوية ، مثل تلك الموضحة في هذه الصورة المنمقة التي أنتجها مختبر دريشر في معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية.

تتعاون مجموعة يورن دنكل في قسم الرياضيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مع علماء البدلاء لفهم كيفية تفاعل البكتيريا مع بعضها البعض ومع بيئاتهم.

صايمة صديق

سايما صديق باحثة مشاركة في مختبر لوريدو في معهد وايتهيد. هذه القطعة جزء من جهد القسم لتسليط الضوء على البحوث ذات الصلة بيولوجيًا التي يتم إجراؤها خارج تخصصات وأقسام علوم الحياة التقليدية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

"جوهر القضية." "جذر المشكلة". "في حقيقة الأمر." غالبًا ما نرغب في استخلاص المواد أو الأنظمة أو الحياة ، وصولًا إلى جوهر واحد: يقوم الكيميائي بعزل المركبات الرئيسية من الخلطات المعقدة ، يبحث الكاتب عن نواة الحقيقة المخبأة في القصة ويتأمل اليوغي لإيجاد المعنى الداخلي. في قسم الرياضيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، يتحول يورن دنكل إلى الرياضيات للكشف عن المكونات الأساسية للعمليات الفيزيائية. حددت مجموعته مؤخرًا السمات الرئيسية التي تنظم نمو البكتيريا ، والنتائج التي يمكن أن تقلل في نهاية المطاف من تواتر العدوى المكتسبة من المستشفيات ، وتجعل المضادات الحيوية أكثر فعالية ، وحتى تخلق مواد للشفاء الذاتي.

تقوم مجموعة Dunkel بإنشاء نماذج رياضية للأنظمة الفيزيائية لأنها تتغير عبر الزمان والمكان. لقد درسوا التواء الأشرطة المطاطية ، وكسر المعكرونة ، ومؤخراً نمو المجتمعات البكتيرية. قد لا يتوقع المرء أن يجد مجموعة من علماء الرياضيات منغمسين في علم الأحياء ، ومع ذلك فقد خطت مجموعة Dunkel خطوات كبيرة نحو فهم العملية التي تتخلى فيها البكتيريا عن قدرتها على السباحة ، والتعلق بسطح صلب (مثل بدن قارب أو بطانة الجهاز الهضمي) ، وتنقسم حتى تبني كومة تسمى "الأغشية الحيوية". تحمي الأغشية الحيوية الخلايا الموجودة بداخلها ، مما يسمح لهذه الخلايا بالبقاء على قيد الحياة من الضغط المناعي والمضادات الحيوية والضغوط البيئية ، مما يجعل تكوين الأغشية الحيوية أمرًا ضروريًا لبعض البكتيريا للبقاء على قيد الحياة في ظل ظروف قاسية. من خلال فهم العوامل التي تحرك هذه الهياكل المسببة للأمراض ، يمكن للباحثين إيجاد طرق للحد من تكوين الأغشية الحيوية.

بالتعاون مع مختبر Knut Drescher في معهد Max Planck لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية ، تبني مجموعة Dunkel نماذج رياضية تصف كيفية تطور الأغشية الحيوية. يأخذ مختبر Drescher مقاطع فيديو عالية الدقة للأغشية الحيوية التي تنمو على مدار عدة ساعات ، ثم ينقلون مقاطع الفيديو هذه إلى مختبر Dunkel. يدقق علماء الرياضيات في مقاطع الفيديو ، ويستخرجون كل نوع من المعلومات التي قد تكون ذات صلة بيولوجيًا: اتجاهات الخلايا ، وحركتها ، ومعدل الانقسام ، والمسافة بين الخلايا ، والعديد من الميزات الأخرى.

تعمل مجموعة Jörn Dunkel على مجموعة من المشاريع المتنوعة مع متعاونين معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية ، وجامعة ستانفورد ، ومختبر آدم مارتن في MIT Biology. الائتمان: بريس فيكمارك.

لم تسمح التطورات في تصوير الأغشية الحيوية للباحثين إلا مؤخرًا برؤية البكتيريا الفردية داخل الأغشية الحيوية وقياس الميزات التي تستخدمها مجموعة Dunkel في نماذجهم. يقول دنكل: "تحصل على مثل هذه المجموعات الغنية من البيانات بحيث تصبح الأساليب التقليدية لبناء النماذج غير قابلة للتطبيق". "قبل عشر سنوات ، لم يكن من المنطقي التفكير في هذه الأسئلة لأننا لم تكن لدينا التكنولوجيا للإجابة عليها."

مع هذه البيانات الشاملة ، فإن التحدي الذي يواجهه علماء الرياضيات الآن هو اكتشاف كيفية وصف سلوك الأغشية الحيوية من حيث مجموعة صغيرة من ميزاتها العديدة. وهكذا ، مع كفاءة قصوى تجعل المدبرة المنظمة ماري كوندو فخورة ، فهم يصطفون جميع القياسات التي يمكنهم إجراؤها ، ثم يتخلصون من أي قياسات لا توضح النظام ، حتى يتعرفوا على أقل عدد من الميزات التي يمكن أن تفسر سلوك البكتيريا. تشير نتائجهم إلى أن القوى الجاذبة بين البكتيريا ، إلى جانب القيود المكانية التي تواجهها عند تكاثرها ، ضرورية في تشكيل تطور الأغشية الحيوية.

تأمل مجموعة Dunkel أن يساعد عملهم في الحد من العدوى البكتيرية المكتسبة من المستشفيات. يمكن أن تصبح الأجهزة الطبية مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب أو القسطرة منازل لهذه التراكمات البكتيرية إذا لامست القفازات أو المياه المتسخة. من هناك ، يمكن أن تنتشر العدوى وتتسبب في التهابات الدم والبولي والجلد والرئة ، من بين مشاكل أخرى. نظرًا لأن البكتيريا الموجودة في مراكز الأغشية الحيوية محمية من المضادات الحيوية ، فقد يكون من الصعب جدًا علاج هذه العدوى. تكشف نماذج مختبر Dunkel أن مجرد تغيير شكل الجهاز الطبي قد يجعله أقل احتمالًا لدعم تكوين الأغشية الحيوية ، أو يجعل الأغشية الحيوية التي يحتويها أكثر عرضة للعلاج بالمضادات الحيوية.

يقود فيليب بيرس ، مدرس الرياضيات التطبيقية الذي يعمل مع دنكل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فرعًا من أبحاث المجموعة التي تركز على كيفية تطور الأغشية الحيوية عندما يتحرك السائل فوقها: وهو موقف أساسي لفهم الأغشية الحيوية في الأجهزة الطبية حيث السوائل مثل الدم والبول تتدفق في كثير من الأحيان الماضي. وأوضح كيف بدأ هو وبقية مجموعة Dunkel بقائمة ميزات الأغشية الحيوية والنماذج المشتقة التي حددت العمليات الفيزيائية الضرورية لشرح هذه الميزات المرصودة.

عندما تنقسم البكتيريا ، تحتاج البكتيريا الجديدة إلى مكان تذهب إليه. يمثل هذا مشكلة للبكتيريا عندما تكون مثبتة في مكانها ، كما هي في وسط الأغشية الحيوية. نظرًا لأن هذه البكتيريا لا يمكنها دائمًا الانتشار أفقيًا ، فإن القيود المكانية تجبرها على الوقوف في النهاية ، مما يجعل الغشاء الحيوي ينمو عموديًا. ينتج عن هذا بنية منظمة للغاية حيث تلتصق البكتيريا الداخلية لأعلى ، مثل الشرائح في سياج اعتصام. بعد فحص العديد من مجموعات خصائص الأغشية الحيوية في نماذجهم ، أدركت مجموعة Dunkel أن القوى التي تضعها البكتيريا على بعضها البعض عندما تنمو تلعب دورًا رئيسيًا في إملاء ترتيب سياج الاعتصام هذا. يتم أيضًا إجبار البكتيريا الموجودة في مقدمة البيوفيلم على الاتجاه الرأسي ، مما يعزز التنظيم المنتظم للغشاء الحيوي.

من خلال إعادة تصميم الأجهزة الطبية لتشمل أشكالًا معقدة ، قد يتمكن الباحثون من الحد من قدرة أي بكتيريا تستعمرها على عرض مثل هذه الترتيبات المنتظمة. قد يجعل هذا الأغشية الحيوية أكثر عرضة للعلاج بالمضادات الحيوية ، أو قد يمنعها من التكون في المقام الأول.

فيليب بيرس مدرس في قسم الرياضيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عمل مع دنكل لفهم كيفية تفاعل البكتيريا الموجودة في الأغشية الحيوية جسديًا مع بعضها البعض ومع بيئاتها.

بينما يحاول بعض أعضاء مجموعة Dunkel إحباط تكوين الأغشية الحيوية ، تقوم Boya Song ، طالبة الدراسات العليا ، بالتحقيق في المواقف التي يمكن أن تكون فيها الأغشية الحيوية مفيدة. جزء مما يربط هذه الهياكل معًا هو مصفوفة لزجة من البروتينات والسكريات والدهون التي تفرزها البكتيريا. تعتقد مجموعة Dunkel أنه إذا كان بإمكانهم التلاعب بشكل الأغشية الحيوية ، فيمكنهم أيضًا التلاعب بشكل هذه المصفوفة.

يقول سونج: "يمكن استخدام الأغشية الحيوية لتشكيل مواد حيوية جديدة بناءً على الأشكال الشبكية التي تنتجها الخلايا". يمكن أن تشكل هذه المواد بطانات واقية لهيكل القوارب أو للمعادن المغمورة. ترسب بعض البكتيريا المعادن ، ويمكن برمجتها لإصلاح العظام أو حتى إصلاح الأسمنت المتشقق.

دانكل متحمس بشأن هذا الاحتمال. "ربما إذا فهمنا تكوين الأغشية الحيوية ، يمكننا بالفعل برمجتها!" هو يقول.

يتضمن فهم كيفية برمجة الأغشية الحيوية فهم بروتينات سطحية تسمى "المواد اللاصقة" التي تعمل مثل الخطافات لتماسك البكتيريا معًا. تُظهر نماذج مجموعة Dunkel أنه عندما تكون البكتيريا في سائل ثابت تقريبًا ، فإن القوى اللاصقة الناتجة عن هذه البروتينات السطحية تملي إلى حد كبير حجم الغشاء الحيوي وترتيب الخلايا بداخله.

أخذت راشيل موك ، وهي طالبة دراسات عليا أخرى في مجموعة Dunkel ، نموذج الالتصاق الخاص بهم لاختبار القيادة من خلال تطبيقه على البكتيريا التي تعبر عن مستويات مختلفة من المادة اللاصقة استجابة لتركيزات مختلفة من الدواء. قامت Mok بضبط نموذجها لتفسير هذا التلاعب التجريبي للقوة الجاذبة بين البكتيريا ، ووجدت أنها يمكن أن تتنبأ بكيفية تصرف البكتيريا.

"إنه أمر لا يصدق أنه على الرغم من أننا أهملنا الكثير من الميزات البيولوجية ، مثل توفر المغذيات ، إلا أنه لا يزال بإمكاننا التقاط الديناميكيات التي نراها في المراحل المبكرة من الأغشية الحيوية" ، كما تقول.

بالإضافة إلى تغيير مستويات الالتصاق ، فإن مجموعة Dunkel لديها متعاونون في مختبر Riedel-Kruse في جامعة ستانفورد يمكنهم تغيير طريقة عمل المواد اللاصقة. يمكن للبروتينات اللاصقة النموذجية إما أن تنتزع بروتينات أخرى ، أو يمكن أن تنتزع. من خلال منح المواد اللاصقة المعدلة وراثيًا للبكتيريا ، تمكنوا من تقسيم هاتين الوظيفتين ، مما أدى إلى مجموعة واحدة من البكتيريا يمكنها فقط الاستيلاء على أخرى ، وواحدة لا يمكن الإمساك بها إلا. من خلال مزج هاتين المجموعتين بنسب مختلفة ، يمكنهم معالجة شكل الأغشية الحيوية الناتجة.

يخطط سونغ لدمج معرفة مجموعة Dunkel فيما يتعلق بالمواد اللاصقة مع نتائج المتعاونين للحصول على مزيد من التحكم في شكل الأغشية الحيوية. ربما في يوم من الأيام ، قد تسمح لهم التكنولوجيا التي قاموا بإنشائها معًا باستخدام البكتيريا لـ "طباعة" المواد بأي شكل يختارونه. نظرًا لأن البكتيريا الموجودة في الأغشية الحيوية يمكنها إفراز مواد إضافية في حالة تلف المصفوفة ، فقد ينتج عن ذلك مادة بناء قابلة للبرمجة وحيوية وذاتية الشفاء. النماذج التي تطورها Song هي خطوة مبكرة في هذا المشروع الطموح ، الذي لديه القدرة على تغيير وجه علم المواد.

من الفحص المجهري عالي الدقة إلى الجينات البكتيرية إلى النمذجة الرياضية ، يعد اكتشاف الأغشية الحيوية مشكلة متعددة التخصصات بطبيعتها. حددت مجموعة Dunkel الميزات الأساسية التي تحدد تطور الأغشية الحيوية ، وتتنبأ نماذجهم بكيفية تطور هذه الهياكل ، سواء على بدن القارب أو في المختبر. من خلال تجميع عقولهم معًا ، فإنهم والمتعاونين معهم يعيدون كتابة القواعد للتعامل مع الأغشية الحيوية ، سواء كان ذلك لمنع نموها أو لتسخيرها.

بويا سونغ (على اليسار) وراشيل موك (على اليمين) ، وكلاهما طالب دراسات عليا في مجموعة Dunkel ، يحددان الميزات الأكثر أهمية لتطوير الأغشية الحيوية. من خلال هذه المعرفة ، يأملون في تسخير الأغشية الحيوية لأغراض بناءة مع منعهم من التأثير على صحة الإنسان.


تمتلك بعض البكتيريا القدرة على تشكيل مرحلة السكون شديدة المقاومة أثناء الظروف البيئية غير المواتية التي تسمى الأبواغ.

تتشكل الجراثيم البكتيرية داخل الخلية البكتيرية ، وتسمى باسم endospores.

التبويض هو العملية التي تتشكل بها الخلايا البكتيرية في ظل ظروف غير مواتية.

يتطور البوغ من جزء من البروتوبلازم يسمى كمقدمة بالقرب من أحد طرفي الخلية ويسمى الجزء المتبقي من الخلية sporangium.

شكل وموقع الجراثيم -

»الأشكال & # 8211 بيضاوي أو كروي

  1. جراثيم غير منتفخة - مركزية / فرعية / طرفية
  2. الجراثيم المنتفخة - المركزية / الطرفية / الطرفية

الجراثيم البكتيرية شديدة المقاومة للغليان العادي والمطهرات والضرب.

الإنبات هو عملية تحويل الأبواغ البكتيرية إلى خلية نباتية في ظل ظروف مناسبة.


محتويات

يُشتق مصطلح "علم الأحياء" من الكلمات اليونانية القديمة "بايوس" بالحروف اللاتينية التي تعني "الحياة" و- α المنطقية بالحروف اللاتينية (-logy) التي تعني "فرع الدراسة" أو "التحدث". [11] [12] هؤلاء مجتمعون يجعلون الكلمة اليونانية βιολογία مكتوبة بالحروف اللاتينية biología وتعني علم الأحياء. على الرغم من ذلك ، فإن مصطلح βιολογία ككل لم يكن موجودًا في اليونانية القديمة. أول من استعارها كان الإنجليزية والفرنسية (علم الأحياء). تاريخيا كان هناك مصطلح آخر للبيولوجيا في اللغة الإنجليزية ، ونادرا ما يستخدم اليوم.

ظهر الشكل اللاتيني للمصطلح لأول مرة في عام 1736 عندما استخدم العالم السويدي كارل لينيوس (كارل فون ليني) بيولوجي في مكتبة النباتات. تم استخدامه مرة أخرى في عام 1766 في عمل بعنوان Philosophiae Naturalis sive physicae: توموس الثالث ، عالم جيولوجي كونتينس ، بيولوجي ، عالم نباتيبقلم مايكل كريستوف هانوف ، تلميذ كريستيان وولف. أول استخدام ألماني ، بيولوجي، كان في عام 1771 ترجمة لعمل لينيوس. في عام 1797 ، استخدم ثيودور جورج أوغست روس المصطلح في مقدمة كتاب ، Grundzüge der Lehre van der Lebenskraft. استخدم كارل فريدريش بورداش المصطلح في عام 1800 بمعنى أكثر تقييدًا لدراسة البشر من منظور مورفولوجي وفسيولوجي ونفسي (Propädeutik zum Studien der gesammten Heilkunst). دخل المصطلح في استخدامه الحديث مع الأطروحة المكونة من ستة مجلدات Biologie، oder Philosophie der lebenden Natur (1802–22) بواسطة جوتفريد رينهولد تريفيرانوس ، الذي أعلن: [13]

ستكون أهداف بحثنا هي الأشكال والمظاهر المختلفة للحياة ، والظروف والقوانين التي تحدث في ظلها هذه الظواهر ، والأسباب التي تأثرت من خلالها. العلم الذي يهتم بهذه الأشياء سوف نشير إليه باسم علم الأحياء [Biologie] أو عقيدة الحياة [Lebenslehre].

يمكن إرجاع أقدم جذور العلم ، والتي تضمنت الطب ، إلى مصر القديمة وبلاد ما بين النهرين في حوالي 3000 إلى 1200 قبل الميلاد. [14] [15] دخلت مساهماتهم فيما بعد وشكلت الفلسفة الطبيعية اليونانية للعصور القديمة الكلاسيكية. [14] [15] [16] [17] ساهم الفلاسفة اليونانيون القدماء مثل أرسطو (384-322 قبل الميلاد) بشكل كبير في تطوير المعرفة البيولوجية. أعماله مثل تاريخ الحيوانات كانت مهمة بشكل خاص لأنها كشفت عن ميوله الطبيعية ، وبعد ذلك المزيد من الأعمال التجريبية التي ركزت على السببية البيولوجية وتنوع الحياة. كتب خليفة أرسطو في مدرسة ليسيوم ، ثيوفراستوس ، سلسلة من الكتب عن علم النبات التي نجت باعتبارها أهم مساهمة للعصور القديمة في علوم النبات ، حتى في العصور الوسطى. [18]

كان من بين علماء العالم الإسلامي في العصور الوسطى الذين كتبوا عن علم الأحياء الجاحظ (781 - 869) ، والدنواري (828-896) ، الذي كتب عن علم النبات ، [19] ورازيس (865-925) الذي كتب عن علم التشريح وعلم وظائف الأعضاء .تمت دراسة الطب بشكل خاص من قبل العلماء المسلمين العاملين في تقاليد الفيلسوف اليوناني ، بينما اعتمد التاريخ الطبيعي بشكل كبير على الفكر الأرسطي ، خاصة في دعم التسلسل الهرمي الثابت للحياة.

بدأ علم الأحياء في التطور والنمو بسرعة مع التحسين الهائل الذي أجراه أنطون فان ليفينهوك في المجهر. عندها اكتشف العلماء الحيوانات المنوية والبكتيريا و infusoria وتنوع الحياة المجهرية. أدت التحقيقات التي أجراها جان سوامردام إلى اهتمام جديد بعلم الحشرات وساعد في تطوير التقنيات الأساسية للتشريح والتلوين المجهري. [20]

كان للتقدم في الفحص المجهري أيضًا تأثير عميق على التفكير البيولوجي. في أوائل القرن التاسع عشر ، أشار عدد من علماء الأحياء إلى الأهمية المركزية للخلية. بعد ذلك ، في عام 1838 ، بدأ شلايدن وشوان في الترويج للأفكار العالمية الحالية القائلة بأن (1) الوحدة الأساسية للكائنات الحية هي الخلية و (2) أن الخلايا الفردية لها جميع خصائص الحياة ، على الرغم من أنهم عارضوا فكرة أن (3) الكل تأتي الخلايا من انقسام الخلايا الأخرى. بفضل عمل روبرت ريماك ورودولف فيرشو ، بحلول ستينيات القرن التاسع عشر ، قبل معظم علماء الأحياء المبادئ الثلاثة لما أصبح يُعرف باسم نظرية الخلية. [21] [22]

في غضون ذلك ، أصبح التصنيف والتصنيف محور اهتمام المؤرخين الطبيعيين. نشر كارل لينيوس تصنيفًا أساسيًا للعالم الطبيعي في عام 1735 (تم استخدام أشكال مختلفة منه منذ ذلك الحين) ، وفي خمسينيات القرن الثامن عشر قدم أسماء علمية لجميع نوعه. [23] جورج لويس لوكلير ، كونت دي بوفون ، عامل الأنواع على أنها تصنيفات اصطناعية وأشكال حية على أنها قابلة للطرق - حتى أنها توحي بإمكانية السلالة المشتركة. على الرغم من أنه كان معارضًا للتطور ، إلا أن بوفون هو شخصية رئيسية في تاريخ الفكر التطوري ، وقد أثر عمله على النظريات التطورية لكل من لامارك وداروين. [24]

نشأ التفكير التطوري الجاد مع أعمال جان بابتيست لامارك ، الذي كان أول من قدم نظرية متماسكة للتطور. [26] وافترض أن التطور كان نتيجة الضغط البيئي على خصائص الحيوانات ، مما يعني أنه كلما تم استخدام العضو بشكل متكرر وصارم ، أصبح أكثر تعقيدًا وفعالية ، وبالتالي تكيف الحيوان مع بيئته. اعتقد لامارك أن هذه الصفات المكتسبة يمكن أن تنتقل بعد ذلك إلى نسل الحيوان ، الذي سيطورها ويتقنها. [27] ومع ذلك ، فقد كان عالم الطبيعة البريطاني تشارلز داروين ، الذي جمع بين النهج الجغرافي الحيوي لهومبولت ، والجيولوجيا الموحدة في ليل ، وكتابات مالتوس حول النمو السكاني ، وخبرته المورفولوجية الخاصة وملاحظاته الطبيعية الواسعة ، الذين صاغوا نظرية تطورية أكثر نجاحًا قائمة على أساس على الانتقاء الطبيعي ، أدى الاستدلال والأدلة المماثلة إلى قيام ألفريد راسل والاس بالتوصل إلى نفس الاستنتاجات بشكل مستقل. [28] [29] انتشرت نظرية داروين للتطور عن طريق الانتقاء الطبيعي بسرعة عبر المجتمع العلمي وسرعان ما أصبحت بديهية مركزية لعلم الأحياء سريع التطور.

بدأ أساس علم الوراثة الحديث بعمل جريجور مندل ، الذي قدم ورقته البحثية ، "Versuche über Pflanzenhybriden"(" تجارب على تهجين النبات ") ، في عام 1865 ، [30] والتي حددت مبادئ الوراثة البيولوجية ، والتي كانت بمثابة الأساس لعلم الوراثة الحديث. [31] ومع ذلك ، لم تتحقق أهمية عمله حتى أوائل القرن العشرين عندما أصبح التطور نظرية موحدة حيث أن التوليف الحديث التوفيق بين التطور الدارويني وعلم الوراثة الكلاسيكي. تحمل الوحدات التي أصبحت تُعرف باسم الجينات.إن التركيز على أنواع جديدة من الكائنات الحية النموذجية مثل الفيروسات والبكتيريا ، جنبًا إلى جنب مع اكتشاف البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي بواسطة جيمس واتسون وفرانسيس كريك في عام 1953 ، كان بمثابة علامة على الانتقال إلى العصر من علم الوراثة الجزيئية. من الخمسينيات إلى الوقت الحاضر ، توسعت البيولوجيا بشكل كبير في المجال الجزيئي. تم تفكيك الشفرة الوراثية بواسطة Har Gobind Khorana و Robert W. Holley و Marshall Warren Nirenberg af كان من المفهوم أن الحمض النووي ثالثًا يحتوي على أكواد. أخيرًا ، تم إطلاق مشروع الجينوم البشري في عام 1990 بهدف رسم خرائط الجينوم البشري العام. تم الانتهاء من هذا المشروع بشكل أساسي في عام 2003 ، [33] مع استمرار نشر المزيد من التحليل. كان مشروع الجينوم البشري الخطوة الأولى في جهد عالمي لدمج المعرفة المتراكمة عن علم الأحياء في تعريف وظيفي وجزيئي لجسم الإنسان وأجسام الكائنات الحية الأخرى.

أساس كيميائي

الذرات والجزيئات

تتكون جميع الكائنات الحية من مادة وكلها تتكون من عناصر. [34] الأكسجين ، والكربون ، والهيدروجين ، والنيتروجين هي العناصر الأربعة التي تمثل 96٪ من جميع الكائنات الحية ، حيث يمثل الكالسيوم والفوسفور والكبريت والصوديوم والكلور والمغنيسيوم 3.7٪ المتبقية. [34] يمكن أن تتحد العناصر المختلفة لتكوين مركبات مثل الماء ، وهو أمر أساسي للحياة. [34] بدأت الحياة على الأرض من الماء وبقيت هناك لحوالي ثلاثة مليارات سنة قبل الهجرة إلى اليابسة. [35] يمكن أن توجد المادة في حالات مختلفة مثل مادة صلبة أو سائلة أو غازية.

أصغر وحدة في العنصر هي الذرة ، والتي تتكون من نواة وإلكترون واحد أو أكثر من الإلكترون المرتبط بالنواة. تتكون النواة من واحد أو أكثر من البروتونات وعدد من النيوترونات. يمكن تجميع الذرات الفردية معًا بواسطة روابط كيميائية لتشكيل الجزيئات والمركبات الأيونية. [34] تشمل الأنواع الشائعة من الروابط الكيميائية الروابط الأيونية والروابط التساهمية والروابط الهيدروجينية. يتضمن الترابط الأيوني التجاذب الكهروستاتيكي بين الأيونات المشحونة بشكل معاكس ، أو بين ذرتين لهما كهرومغناطيسية مختلفة بشدة ، [36] وهو التفاعل الأساسي الذي يحدث في المركبات الأيونية. الأيونات هي ذرات (أو مجموعات ذرات) ذات شحنة كهروستاتيكية. الذرات التي تكتسب إلكترونات تصنع أيونات سالبة الشحنة (تسمى الأنيونات) بينما الذرات التي تفقد الإلكترونات تصنع أيونات موجبة الشحنة (تسمى الكاتيونات).

على عكس الروابط الأيونية ، تتضمن الرابطة التساهمية مشاركة أزواج الإلكترونات بين الذرات. تُعرف أزواج الإلكترونات هذه والتوازن المستقر للقوى الجذابة والمنافرة بين الذرات ، عندما تشترك في الإلكترونات ، باسم الرابطة التساهمية. [37]

الرابطة الهيدروجينية هي في الأساس قوة جذب إلكتروستاتيكية بين ذرة الهيدروجين التي ترتبط تساهميًا بذرة أو مجموعة أكثر كهربيًا مثل الأكسجين. تم العثور على مثال في كل مكان لرابطة هيدروجينية بين جزيئات الماء. في جزيء الماء المنفصل ، توجد ذرتان هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. يمكن لجزيئين من الماء تكوين رابطة هيدروجينية بينهما. عند وجود المزيد من الجزيئات ، كما هو الحال مع الماء السائل ، فمن الممكن إنشاء المزيد من الروابط لأن الأكسجين في جزيء ماء واحد يحتوي على زوجين منفردين من الإلكترونات ، يمكن لكل منهما تكوين رابطة هيدروجينية مع الهيدروجين على جزيء ماء آخر.

مركبات العضوية

باستثناء الماء ، تحتوي جميع الجزيئات التي يتكون منها كل كائن حي تقريبًا على الكربون. [38] [39] يمكن أن يشكل الكربون سلاسل طويلة جدًا من روابط كربون-كربون مترابطة ، والتي تكون قوية ومستقرة. أبسط أشكال الجزيء العضوي هو الهيدروكربون ، وهو عبارة عن عائلة كبيرة من المركبات العضوية التي تتكون من ذرات الهيدروجين المرتبطة بسلسلة من ذرات الكربون. يمكن استبدال العمود الفقري للهيدروكربون بذرات أخرى. عند دمجها مع عناصر أخرى مثل الأكسجين والهيدروجين والفوسفور والكبريت ، يمكن أن يشكل الكربون مجموعات عديدة من المركبات البيولوجية المهمة مثل السكريات والدهون والأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات.

الجزيئات الكبيرة

يمكن للجزيئات مثل السكريات والأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات أن تعمل كوحدات مفردة متكررة تسمى المونومرات لتكوين جزيئات شبيهة بالسلسلة تسمى البوليمرات عبر عملية كيميائية تسمى التكثيف. [40] على سبيل المثال ، يمكن أن تشكل الأحماض الأمينية عديد الببتيدات بينما يمكن للنيوكليوتيدات أن تشكل خيوطًا من الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) أو الحمض النووي الريبي (RNA). تشكل البوليمرات ثلاثة من أربعة جزيئات كبيرة (السكريات ، والدهون ، والبروتينات ، والأحماض النووية) الموجودة في جميع الكائنات الحية. يلعب كل جزيء كبير دورًا متخصصًا داخل أي خلية معينة. بعض السكريات ، على سبيل المثال ، يمكن أن تعمل كمواد تخزين يمكن تحللها لتزويد الخلايا بالسكر. الدهون هي الفئة الوحيدة من الجزيئات الكبيرة التي لا تتكون من بوليمرات وأهمها الدهون من الناحية البيولوجية هي الدهون والفوسفوليبيد والمنشطات. [40] البروتينات هي الأكثر تنوعًا من الجزيئات الكبيرة ، والتي تشمل الإنزيمات وبروتينات النقل وجزيئات الإشارات الكبيرة والأجسام المضادة والبروتينات الهيكلية. أخيرًا ، تقوم الأحماض النووية بتخزين المعلومات الوراثية ونقلها والتعبير عنها. [40]

الخلايا

تنص نظرية الخلية على أن الخلايا هي الوحدات الأساسية للحياة ، وأن جميع الكائنات الحية تتكون من خلية واحدة أو أكثر ، وأن جميع الخلايا تنشأ من خلايا موجودة مسبقًا من خلال انقسام الخلية. [41] معظم الخلايا صغيرة جدًا ، بأقطار تتراوح من 1 إلى 100 ميكرومتر وبالتالي فهي مرئية فقط تحت المجهر الضوئي أو الإلكتروني. [42] يوجد بشكل عام نوعان من الخلايا: الخلايا حقيقية النواة ، والتي تحتوي على نواة ، والخلايا بدائية النواة التي لا تحتوي على ذلك. بدائيات النوى هي كائنات وحيدة الخلية مثل البكتيريا ، في حين أن حقيقيات النوى يمكن أن تكون وحيدة الخلية أو متعددة الخلايا. في الكائنات متعددة الخلايا ، يتم اشتقاق كل خلية في جسم الكائن الحي في النهاية من خلية واحدة في البويضة المخصبة.

هيكل الخلية

كل خلية محاطة بغشاء خلوي يفصل السيتوبلازم عن الفضاء خارج الخلية. [43] يتكون غشاء الخلية من طبقة ثنائية للدهون ، بما في ذلك الكوليسترول الموجود بين الدهون الفوسفورية للحفاظ على سيولتها في درجات حرارة مختلفة. أغشية الخلايا شبه قابلة للنفاذ ، مما يسمح للجزيئات الصغيرة مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والماء بالمرور مع تقييد حركة الجزيئات الأكبر والجسيمات المشحونة مثل الأيونات. [44] تحتوي أغشية الخلايا أيضًا على بروتينات غشائية ، بما في ذلك بروتينات الغشاء المتكاملة التي تمر عبر الغشاء بمثابة ناقلات غشاء ، والبروتينات الطرفية التي ترتبط بشكل غير محكم بالجانب الخارجي من غشاء الخلية ، وتعمل كأنزيمات تشكل الخلية. [45] تشارك أغشية الخلايا في العديد من العمليات الخلوية مثل التصاق الخلية ، وتخزين الطاقة الكهربائية ، وإشارات الخلية وتعمل كسطح مرفق للعديد من الهياكل خارج الخلية مثل جدار الخلية ، والكلان السكري ، والهيكل الخلوي.

يوجد داخل سيتوبلازم الخلية العديد من الجزيئات الحيوية مثل البروتينات والأحماض النووية. [46] بالإضافة إلى الجزيئات الحيوية ، تمتلك الخلايا حقيقية النواة هياكل متخصصة تسمى العضيات التي لها طبقات ثنائية للدهون أو وحدات مكانية. تشمل هذه العضيات نواة الخلية ، التي تحتوي على المعلومات الجينية للخلية ، أو الميتوكوندريا ، التي تولد الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) لتشغيل العمليات الخلوية. تلعب العضيات الأخرى مثل الشبكة الإندوبلازمية وجهاز جولجي دورًا في تخليق وتعبئة البروتينات ، على التوالي. الجزيئات الحيوية مثل البروتينات يمكن أن تبتلعها الجسيمات الحالة ، وهي عضية متخصصة أخرى. تحتوي الخلايا النباتية على عضيات إضافية تميزها عن الخلايا الحيوانية مثل جدار الخلية والبلاستيدات الخضراء والفجوة.

الأيض

تتطلب جميع الخلايا الطاقة للحفاظ على العمليات الخلوية. الطاقة هي القدرة على القيام بالعمل ، والتي ، في الديناميكا الحرارية ، يمكن حسابها باستخدام طاقة جيبس ​​الحرة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يتم الحفاظ على الطاقة ، أي لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. ومن ثم ، فإن التفاعلات الكيميائية في الخلية لا تولد طاقة جديدة ولكنها تشارك بدلاً من ذلك في تحويل ونقل الطاقة. [47] ومع ذلك ، تؤدي جميع عمليات نقل الطاقة إلى فقدان بعض الطاقة القابلة للاستخدام ، مما يزيد من الانتروبيا (أو حالة الاضطراب) كما هو مذكور في القانون الثاني للديناميكا الحرارية. نتيجة لذلك ، تتطلب الكائنات الحية مثل الخلايا مدخلات مستمرة من الطاقة للحفاظ على حالة منخفضة من الانتروبيا. في الخلايا ، يمكن نقل الطاقة كإلكترونات أثناء تفاعلات الأكسدة والاختزال ، وتخزينها في روابط تساهمية ، وتولدها حركة الأيونات (مثل الهيدروجين والصوديوم والبوتاسيوم) عبر الغشاء.

التمثيل الغذائي هو مجموعة التفاعلات الكيميائية التي تحافظ على الحياة في الكائنات الحية. الأهداف الرئيسية الثلاثة لعملية التمثيل الغذائي هي: تحويل الغذاء إلى طاقة لتشغيل العمليات الخلوية ، وتحويل الغذاء / الوقود إلى اللبنات الأساسية للبروتينات ، والدهون ، والأحماض النووية ، وبعض الكربوهيدرات ، والقضاء على النفايات الأيضية. تسمح هذه التفاعلات المحفزة بالإنزيم للكائنات بالنمو والتكاثر والحفاظ على هياكلها والاستجابة لبيئاتها. يمكن تصنيف التفاعلات الأيضية على أنها تقويضية - تكسير المركبات (على سبيل المثال ، تكسير الجلوكوز إلى بيروفات عن طريق التنفس الخلوي) أو الابتنائية - بناء (تخليق) المركبات (مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون والنووية الأحماض). عادةً ما يطلق الهدم الطاقة ، ويستهلك التمثيل الغذائي الطاقة.

يتم تنظيم التفاعلات الكيميائية لعملية التمثيل الغذائي في مسارات التمثيل الغذائي ، حيث يتم تحويل مادة كيميائية واحدة من خلال سلسلة من الخطوات إلى مادة كيميائية أخرى ، يتم تسهيل كل خطوة بواسطة إنزيم معين. تعتبر الإنزيمات ضرورية لعملية التمثيل الغذائي لأنها تسمح للكائنات الحية بتحريك التفاعلات المرغوبة التي تتطلب طاقة لن تحدث من تلقاء نفسها ، عن طريق اقترانها بالتفاعلات التلقائية التي تطلق الطاقة. تعمل الإنزيمات كمحفزات - فهي تسمح للتفاعل بالمضي قدمًا بسرعة أكبر دون أن يستهلكه - عن طريق تقليل كمية طاقة التنشيط اللازمة لتحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات. تسمح الإنزيمات أيضًا بتنظيم معدل تفاعل التمثيل الغذائي ، على سبيل المثال استجابة للتغيرات في بيئة الخلية أو للإشارات من الخلايا الأخرى.

التنفس الخلوي

التنفس الخلوي هو مجموعة من التفاعلات والعمليات الأيضية التي تحدث في خلايا الكائنات الحية لتحويل الطاقة الكيميائية من العناصر الغذائية إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، ثم إطلاق النفايات. [48] ​​التفاعلات التي ينطوي عليها التنفس هي تفاعلات تقويضية ، والتي تقسم الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر ، وتطلق الطاقة لأن الروابط الضعيفة عالية الطاقة ، ولا سيما في الأكسجين الجزيئي ، [49] يتم استبدالها بروابط أقوى في المنتجات. التنفس هو أحد الطرق الرئيسية التي تطلق بها الخلية الطاقة الكيميائية لتغذية النشاط الخلوي. يحدث التفاعل الكلي في سلسلة من الخطوات البيوكيميائية ، بعضها تفاعلات الأكسدة والاختزال. على الرغم من أن التنفس الخلوي هو من الناحية الفنية تفاعل احتراق ، فمن الواضح أنه لا يشبه التفاعل عندما يحدث في خلية حية بسبب الإطلاق البطيء المتحكم فيه للطاقة من سلسلة التفاعلات.

السكر على شكل جلوكوز هو العنصر الغذائي الرئيسي الذي تستخدمه الخلايا الحيوانية والنباتية في التنفس. التنفس الخلوي الذي يتضمن الأكسجين يسمى التنفس الهوائي ، والذي يتكون من أربع مراحل: تحلل السكر ، ودورة حمض الستريك (أو دورة كريبس) ، وسلسلة نقل الإلكترون ، والفسفرة المؤكسدة. [50] تحلل الجلوكوز هو عملية التمثيل الغذائي التي تحدث في السيتوبلازم حيث يتم تحويل الجلوكوز إلى اثنين من البيروفات ، مع إنتاج جزيئين صافين من ATP في نفس الوقت. [50] يتم بعد ذلك أكسدة كل بيروفات إلى أسيتيل CoA بواسطة مركب البيروفات ديهيدروجينيز ، والذي يولد أيضًا NADH وثاني أكسيد الكربون. يدخل Acetyl-Coa في دورة حمض الستريك ، والتي تأخذ أماكن داخل مصفوفة الميتوكوندريا. في نهاية الدورة ، يكون الناتج الإجمالي من جلوكوز واحد (أو 2 بيروفات) هو 6 NADH ، 2 FADH2، و 2 جزيء ATP. أخيرًا ، المرحلة التالية هي الفسفرة المؤكسدة ، والتي تحدث في حقيقيات النوى في أعراف الميتوكوندريا. تتكون الفسفرة المؤكسدة من سلسلة نقل الإلكترون ، وهي سلسلة من أربعة معقدات بروتينية تنقل الإلكترونات من مركب إلى آخر ، وبالتالي تطلق الطاقة من NADH و FADH2 يقترن بضخ البروتونات (أيونات الهيدروجين) عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا (الانقسام الكيميائي) ، والذي يولد قوة دافعة للبروتون. [50] الطاقة من القوة الدافعة للبروتون تدفع إنزيم ATP synthase لتخليق المزيد من ATPs عن طريق فسفرة ADPs. ينتهي نقل الإلكترونات مع كون الأكسجين الجزيئي هو المستقبل النهائي للإلكترون.

إذا لم يكن الأكسجين موجودًا ، فلن يتم استقلاب البيروفات عن طريق التنفس الخلوي ولكنه يخضع لعملية تخمير. لا يتم نقل البيروفات إلى الميتوكوندريا ولكنه يبقى في السيتوبلازم ، حيث يتم تحويله إلى نفايات يمكن إزالتها من الخلية. يخدم هذا الغرض من أكسدة ناقلات الإلكترون حتى يتمكنوا من إجراء تحلل السكر مرة أخرى وإزالة البيروفات الزائدة. يؤكسد التخمير NADH إلى NAD + بحيث يمكن إعادة استخدامه في تحلل السكر. في حالة عدم وجود الأكسجين ، يمنع التخمير تراكم NADH في السيتوبلازم ويوفر NAD + لتحلل السكر. يختلف منتج النفايات هذا حسب الكائن الحي. في عضلات الهيكل العظمي ، يكون ناتج النفايات هو حمض اللاكتيك. يسمى هذا النوع من التخمير بتخمير حمض اللاكتيك. في التمرين الشاق ، عندما تتجاوز متطلبات الطاقة إمدادات الطاقة ، لا يمكن لسلسلة الجهاز التنفسي معالجة جميع ذرات الهيدروجين المرتبطة بـ NADH. أثناء التحلل اللاهوائي ، يتجدد NAD + عندما تتحد أزواج الهيدروجين مع البيروفات لتكوين اللاكتات. يتم تحفيز تكوين اللاكتات عن طريق نازعة هيدروجين اللاكتات في تفاعل قابل للعكس. يمكن أيضًا استخدام اللاكتات كمقدمة غير مباشرة للجليكوجين في الكبد. أثناء التعافي ، عندما يتوفر الأكسجين ، يرتبط NAD + بالهيدروجين من اللاكتات لتكوين ATP. في الخميرة ، نفايات المنتجات هي الإيثانول وثاني أكسيد الكربون. يُعرف هذا النوع من التخمير باسم التخمير الكحولي أو الإيثانول. يتكون ATP المتولد في هذه العملية عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة ، والتي لا تتطلب الأكسجين.

البناء الضوئي

التمثيل الضوئي هو عملية تستخدمها النباتات والكائنات الحية الأخرى لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية يمكن إطلاقها لاحقًا لتغذية أنشطة التمثيل الغذائي للكائن الحي عن طريق التنفس الخلوي. يتم تخزين هذه الطاقة الكيميائية في جزيئات الكربوهيدرات ، مثل السكريات ، التي يتم تصنيعها من ثاني أكسيد الكربون والماء. [51] [52] [53] في معظم الحالات ، يتم إطلاق الأكسجين أيضًا كمنتج نفايات. تقوم معظم النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء بعملية التمثيل الضوئي ، وهو المسؤول إلى حد كبير عن إنتاج محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض والحفاظ عليه ، ويوفر معظم الطاقة اللازمة للحياة على الأرض. [54]

يتكون التمثيل الضوئي من أربع مراحل: امتصاص الضوء ، ونقل الإلكترون ، وتوليف ATP ، وتثبيت الكربون. [50] امتصاص الضوء هو الخطوة الأولى في عملية التمثيل الضوئي حيث يتم امتصاص الطاقة الضوئية بواسطة أصباغ الكلوروفيل المرتبطة بالبروتينات الموجودة في أغشية الثايلاكويد. تُستخدم طاقة الضوء الممتصة لإزالة الإلكترونات من المتبرع (الماء) إلى متقبل الإلكترون الأولي ، وهو كينون يُسمى Q. في المرحلة الثانية ، تنتقل الإلكترونات من مستقبل الإلكترون الأساسي كينون عبر سلسلة من ناقلات الإلكترون حتى تصل إلى متقبل الإلكترون النهائي ، والذي عادة ما يكون الشكل المؤكسد لـ NADP + ، والذي يتم اختزاله إلى NADPH ، وهي عملية تحدث في مركب بروتيني يسمى النظام الضوئي الأول (PSI).يقترن نقل الإلكترونات بحركة البروتونات (أو الهيدروجين) من السدى إلى غشاء الثايلاكويد ، والذي يشكل تدرجًا للأس الهيدروجيني عبر الغشاء حيث يصبح الهيدروجين أكثر تركيزًا في التجويف منه في السدى. هذا مشابه لقوة دافع البروتون المتولدة عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي في التنفس الهوائي. [50]

خلال المرحلة الثالثة من التمثيل الضوئي ، تقترن حركة البروتونات لأسفل تدرجات تركيزها من تجويف الثايلاكويد إلى السدى عبر سينسيز ATP بتخليق ATP بواسطة نفس سينسيز ATP. [50] إن NADPH و ATPs الناتجة عن التفاعلات المعتمدة على الضوء في المرحلتين الثانية والثالثة ، على التوالي ، توفر الطاقة والإلكترونات لتحريك تخليق الجلوكوز عن طريق تثبيت ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في مركبات الكربون العضوية الموجودة ، مثل الريبولوز ثنائي الفوسفات ( RuBP) في سلسلة من التفاعلات المستقلة عن الضوء (أو المظلمة) تسمى دورة كالفين. [55]

الإشارات الخلوية

الاتصال الخلوي (أو الإشارة) هو قدرة الخلايا على استقبال الإشارات ومعالجتها ونقلها مع بيئتها ومع نفسها. [56] [57] يمكن أن تكون الإشارات غير كيميائية مثل الضوء والنبضات الكهربائية والحرارة أو الإشارات الكيميائية (أو الروابط) التي تتفاعل مع المستقبلات ، والتي يمكن العثور عليها مضمنة في غشاء الخلية لخلية أخرى أو موجودة بعمق خلية. [58] [57] هناك بشكل عام أربعة أنواع من الإشارات الكيميائية: الأوتوكرين ، الباراكرين ، الجوكستاكرين ، والهرمونات. [58] في إشارات الأوتوكرين ، تؤثر الرابطة الرابطة على نفس الخلية التي تطلقها. يمكن أن تتكاثر الخلايا السرطانية ، على سبيل المثال ، بشكل لا يمكن السيطرة عليه لأنها تطلق إشارات تبدأ في الانقسام الذاتي. في إشارات paracrine ، ينتشر الترابط إلى الخلايا المجاورة ويؤثر عليها. على سبيل المثال ، تطلق خلايا المخ التي تسمى الخلايا العصبية روابط تسمى الناقلات العصبية التي تنتشر عبر شق متشابك لترتبط بمستقبل في خلية مجاورة مثل خلية عصبية أخرى أو خلية عضلية. في إشارات juxtacrine ، هناك اتصال مباشر بين الخلايا المشيرة والخلايا المستجيبة. أخيرًا ، الهرمونات عبارة عن روابط تسافر عبر أنظمة الدورة الدموية للحيوانات أو أنظمة الأوعية الدموية للنباتات للوصول إلى الخلايا المستهدفة. بمجرد أن يرتبط الرابط مع مستقبل ، يمكن أن يؤثر على سلوك خلية أخرى ، اعتمادًا على نوع المستقبل. على سبيل المثال ، يمكن للناقلات العصبية التي ترتبط بمستقبل مؤثر في التقلص العضلي أن تغير من استثارة الخلية المستهدفة. تشمل الأنواع الأخرى من المستقبلات مستقبلات بروتين كينيز (على سبيل المثال ، مستقبل هرمون الأنسولين) والمستقبلات المقترنة ببروتين G. يمكن أن يؤدي تنشيط المستقبلات المقترنة ببروتين G إلى بدء شلالات رسول ثانية. تسمى العملية التي يتم من خلالها إرسال إشارة كيميائية أو فيزيائية عبر خلية كسلسلة من الأحداث الجزيئية نقل الإشارة

دورة الخلية

دورة الخلية عبارة عن سلسلة من الأحداث التي تحدث في الخلية والتي تؤدي إلى انقسامها إلى خليتين ابنتيتين. تتضمن هذه الأحداث تكرار الحمض النووي وبعض عضياته ، والتقسيم اللاحق للسيتوبلازم إلى خليتين ابنتيتين في عملية تسمى انقسام الخلية. [59] في حقيقيات النوى (أي الحيوانات والنباتات والفطريات والخلايا الأولية) ، هناك نوعان متميزان من انقسام الخلايا: الانقسام والانقسام الاختزالي. [60] الانقسام الخيطي هو جزء من دورة الخلية ، حيث يتم فصل الكروموسومات المضاعفة إلى نواتين جديدتين. يؤدي الانقسام الخلوي إلى ظهور خلايا متطابقة وراثيًا يتم فيها الحفاظ على العدد الإجمالي للكروموسومات. بشكل عام ، يسبق الانقسام الفتيلي (انقسام النواة) المرحلة S من الطور البيني (التي يتم خلالها نسخ الحمض النووي) وغالبًا ما يتبعها الطور النهائي والتحرك الخلوي الذي يقسم السيتوبلازم والعضيات والغشاء الخلوي لخلية واحدة إلى خليتين جديدتين تحتوي على حصص متساوية تقريبًا من هذه المكونات الخلوية. تحدد المراحل المختلفة للانقسام معًا المرحلة الانقسامية لدورة الخلية الحيوانية - تقسيم الخلية الأم إلى خليتين ابنتيتين متطابقتين وراثيًا. [61] دورة الخلية هي عملية حيوية تتطور من خلالها البويضة المخصبة وحيدة الخلية إلى كائن حي ناضج ، بالإضافة إلى العملية التي يتم من خلالها تجديد الشعر والجلد وخلايا الدم وبعض الأعضاء الداخلية. بعد انقسام الخلية ، تبدأ كل خلية من الخلايا الوليدة الطور البيني لدورة جديدة. على عكس الانقسام الفتيلي ، ينتج عن الانقسام الاختزالي أربع خلايا ابنة أحادية العدد من خلال الخضوع لجولة واحدة من تكرار الحمض النووي متبوعًا بقسمين. [62] يتم فصل الكروموسومات المتجانسة في القسم الأول (الانقسام الاختزالي الأول) ، ويتم فصل الكروموسومات الشقيقة في القسم الثاني (الانقسام الاختزالي الثاني). يتم استخدام كل من دورات الانقسام الخلوي هذه في عملية التكاثر الجنسي في مرحلة ما من دورة حياتها. يُعتقد أن كلاهما موجود في آخر سلف مشترك حقيقي النواة.

يمكن أيضًا أن تخضع بدائيات النوى (أي العتائق والبكتيريا) للانقسام الخلوي (أو الانشطار الثنائي). على عكس عمليات الانقسام والانقسام الاختزالي في حقيقيات النوى ، يحدث الانشطار الثنائي في بدائيات النوى دون تكوين جهاز مغزل على الخلية. قبل الانشطار الثنائي ، يتم لف الحمض النووي في البكتيريا بإحكام. بعد فكها وتكرارها ، يتم سحبها إلى القطبين المنفصلين للبكتيريا لأنها تزيد من حجمها استعدادًا للانقسام. يبدأ نمو جدار خلوي جديد بفصل البكتيريا (الناتجة عن بلمرة FtsZ وتشكيل "الحلقة Z") [63] يتطور جدار الخلية الجديد (الحاجز) بالكامل ، مما يؤدي إلى الانقسام الكامل للبكتيريا. تحتوي الخلايا الوليدة الجديدة على قضبان DNA وريبوزومات وبلازميدات ملفوفة بإحكام.

علم الوراثة

ميراث

علم الوراثة هو الدراسة العلمية للميراث. [64] [65] [66] الميراث المندلي ، على وجه التحديد ، هو العملية التي تنتقل من خلالها الجينات والصفات من الآباء إلى الأبناء. [31] صاغه جريجور مندل ، بناءً على عمله مع نباتات البازلاء في منتصف القرن التاسع عشر. أسس مندل عدة مبادئ للميراث. الأول هو أن الخصائص الجينية ، التي تسمى الآن الأليلات ، منفصلة ولها أشكال بديلة (على سبيل المثال ، أرجواني مقابل أبيض أو طويل مقابل قزم) ، كل منها موروث من أحد الوالدين. بناءً على قانون الهيمنة والتوحيد ، الذي ينص على أن بعض الأليلات مهيمنة بينما البعض الآخر متنحي ، فإن كائن حي به أليل واحد مهيمن على الأقل سيعرض النمط الظاهري لذلك الأليل السائد. [67] استثناءات هذه القاعدة تشمل الاختراق والتعبير. [31] لاحظ مندل أنه أثناء تكوين الأمشاج ، تنفصل الأليلات لكل جين عن بعضها البعض بحيث يحمل كل مشيج أليلًا واحدًا فقط لكل جين ، وهو ما ينص عليه قانون الفصل الخاص به. ينتج الأفراد متغاير الزيجوت الأمشاج بتردد متساوٍ من أليلين. أخيرًا ، صاغ مندل قانون التشكيلة المستقلة ، والذي ينص على أن الجينات ذات السمات المختلفة يمكن أن تنفصل بشكل مستقل أثناء تكوين الأمشاج ، أي أن الجينات غير مرتبطة. قد يتضمن الاستثناء لهذه القاعدة السمات المرتبطة بالجنس. يمكن إجراء اختبار تهجين لتحديد النمط الجيني الأساسي للكائن الحي ذو النمط الظاهري السائد تجريبياً. [68] يمكن استخدام مربع بونت للتنبؤ بنتائج اختبار التقاطع. تم دعم نظرية الكروموسوم في الوراثة ، والتي تنص على أن الجينات موجودة في الكروموسومات ، من خلال تجارب توماس مورغانز مع ذباب الفاكهة ، والتي أثبتت العلاقة الجنسية بين لون العين والجنس في هذه الحشرات. [69] في البشر والثدييات الأخرى (على سبيل المثال ، الكلاب) ، ليس من المجدي أو العملي إجراء تجارب عبر التجارب. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام النسب ، وهي تمثيلات وراثية لأشجار العائلة ، [70] بدلاً من ذلك لتتبع وراثة سمة أو مرض معين عبر أجيال متعددة. [71]

حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) هو جزيء يتكون من سلسلتين من عديد النوكليوتيدات تلتف حول بعضها البعض لتشكيل حلزون مزدوج يحمل معلومات وراثية وراثية. تُعرف خيوط الحمض النووي باسم عديد النوكليوتيدات لأنها تتكون من مونومرات تسمى النيوكليوتيدات. [72] [73] يتكون كل نوكليوتيد من واحدة من أربع قواعد نيتروجينية (السيتوزين [C] ، الجوانين [G] ، الأدينين [A] أو الثايمين [T]) ، سكر يسمى ديوكسيريبوز ، ومجموعة فوسفات. ترتبط النيوكليوتيدات ببعضها البعض في سلسلة بواسطة روابط تساهمية بين سكر نيوكليوتيد وفوسفات النوكليوتيد التالي ، مما ينتج عنه عمود فقري متناوب بين السكر والفوسفات. إن تسلسل هذه القواعد الأربع على طول العمود الفقري هو الذي يشفر المعلومات الجينية. ترتبط قواعد خيطي عديد النوكليوتيدات ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية ، وفقًا لقواعد الاقتران الأساسية (A مع T و C مع G) ، لصنع DNA مزدوج الشريطة. وتنقسم القواعد إلى مجموعتين: بيريميدينات وبيورينات. في الحمض النووي ، تكون البيريميدينات هي الثايمين والسيتوزين بينما البيورينات هي الأدينين والجوانين. يعمل شريطا الحمض النووي في اتجاهين متعاكسين مع بعضهما البعض وبالتالي يكونان متعارضين. يتم تكرار الحمض النووي بمجرد فصل الخيوط.

الجين هو وحدة وراثية تتوافق مع منطقة من الحمض النووي تؤثر على شكل أو وظيفة الكائن الحي بطرق محددة. تم العثور على الحمض النووي ككروموسومات خطية في حقيقيات النوى ، وكروموسومات دائرية في بدائيات النوى. الكروموسوم هو بنية منظمة تتكون من الحمض النووي والهستونات. تُعرف مجموعة الكروموسومات في الخلية وأي معلومات وراثية أخرى موجودة في الميتوكوندريا أو البلاستيدات الخضراء أو مواقع أخرى مجتمعة باسم جينوم الخلية. في حقيقيات النوى ، يتم تحديد الحمض النووي الجيني في نواة الخلية ، أو بكميات صغيرة في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. [74] في بدائيات النوى ، يتم الاحتفاظ بالحمض النووي داخل جسم غير منتظم الشكل في السيتوبلازم المسمى بالنيوكليويد. [75] يتم الاحتفاظ بالمعلومات الجينية في الجينوم داخل الجينات ، ويسمى التجميع الكامل لهذه المعلومات في الكائن الحي بالنمط الجيني الخاص به. [76] تقوم الجينات بترميز المعلومات التي تحتاجها الخلايا لتخليق البروتينات ، والتي بدورها تلعب دورًا مركزيًا في التأثير على النمط الظاهري النهائي للكائن الحي.

التعبير الجيني

التعبير الجيني هو العملية التي يتم من خلالها استخدام المعلومات من الجين في تخليق منتج جيني وظيفي يمكّنه من إنتاج منتجات نهائية ، بروتين أو الحمض النووي الريبي غير المشفر ، ويؤثر في النهاية على النمط الظاهري ، باعتباره التأثير النهائي. تم تلخيص العملية في العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية التي صاغها لأول مرة فرانسيس كريك في عام 1958. [77] [78] [79] التعبير الجيني هو المستوى الأساسي الذي يؤدي فيه النمط الجيني إلى ظهور نمط ظاهري ، أي سمة يمكن ملاحظتها. تمثل المعلومات الجينية المخزنة في الحمض النووي النمط الجيني ، بينما ينتج النمط الظاهري عن تخليق البروتينات التي تتحكم في بنية الكائن الحي وتطوره ، أو التي تعمل كأنزيمات تحفز مسارات استقلابية محددة. جزء كبير من الحمض النووي (على سبيل المثال ، gt98٪ في البشر) غير مشفر ، مما يعني أن هذه الأقسام لا تعمل كنماذج لتسلسل البروتين. يتم إنشاء خيوط Messenger RNA (mRNA) باستخدام خيوط DNA كقالب في عملية تسمى النسخ ، حيث يتم تبادل قواعد الحمض النووي لقواعدها المقابلة باستثناء حالة الثايمين (T) ، حيث يحل RNA محل uracil (U). [80] بموجب الكود الجيني ، تحدد سلاسل الرنا المرسال هذه تسلسل الأحماض الأمينية داخل البروتينات في عملية تسمى الترجمة ، والتي تحدث في الريبوسومات. يتم استخدام هذه العملية من قبل كل الكائنات الحية - حقيقيات النوى (بما في ذلك الكائنات متعددة الخلايا) ، بدائيات النوى (البكتيريا والعتائق) ، وتستخدمها الفيروسات - لتوليد آلية الجزيئات الكبيرة للحياة. غالبًا ما تكون المنتجات الجينية بروتينات ، ولكن في الجينات غير المشفرة للبروتين مثل RNA الناقل (tRNA) و RNA النووي الصغير (snRNA) ، يكون المنتج عبارة عن RNA وظيفي غير مشفر. [81] [82] يمكن تنظيم جميع خطوات عملية التعبير الجيني ، بما في ذلك النسخ ، وربط الحمض النووي الريبي ، والترجمة ، والتعديل اللاحق للبروتين. يمنح تنظيم التعبير الجيني التحكم في توقيت وموقع وكمية منتج جيني معين (بروتين أو ncRNA) الموجود في الخلية ويمكن أن يكون له تأثير عميق على التركيب والوظيفة الخلوية.

الجينوم

الجينوم هو مجموعة كاملة من الحمض النووي للكائن الحي ، بما في ذلك جميع جيناته. [83] يمكن إجراء تسلسل الجينوم وتحليله باستخدام تسلسل الحمض النووي عالي الإنتاجية والمعلوماتية الحيوية لتجميع وتحليل وظيفة وبنية الجينوم بأكمله. [84] [85] [86] العديد من الجينات تقوم بتشفير أكثر من بروتين واحد ، مع تعديلات ما بعد الترجمة تزيد من تنوع البروتينات داخل الخلية. بروتين الخلية هو مجموعتها الكاملة من البروتينات التي يعبر عنها جينوم الخلية. [87] إن جينومات بدائيات النوى صغيرة ومضغوطة ومتنوعة. على النقيض من ذلك ، فإن جينومات حقيقيات النوى أكبر وأكثر تعقيدًا مثل وجود المزيد من التسلسلات التنظيمية ويتكون الكثير من جينومها من تسلسلات DNA غير مشفرة لـ RNA وظيفي (rRNA و tRNA و mRNA) أو متواليات تنظيمية. تم ترتيب جينومات الكائنات الحية النموذجية المختلفة مثل الأرابيدوبسيس ، وذبابة الفاكهة ، والفئران ، والديدان الخيطية ، والخميرة. أسفر تسلسل الجينوم البشري بأكمله عن تطبيقات عملية مثل بصمة الحمض النووي ، والتي يمكن استخدامها لاختبار الأبوة والطب الشرعي. في الطب ، سمح تسلسل الجينوم البشري بأكمله بتحديد الطفرات التي تسبب الأورام وكذلك الجينات التي تسبب اضطرابًا وراثيًا معينًا. [87]

التكنولوجيا الحيوية

التكنولوجيا الحيوية هي استخدام الخلايا أو الكائنات الحية لتطوير منتجات للبشر. [88] وهي تشمل أدوات مثل الحمض النووي المؤتلف ، وهي جزيئات الحمض النووي التي تشكلت من خلال طرق مختبرية لإعادة التركيب الجيني مثل الاستنساخ الجزيئي ، والتي تجمع المواد الجينية من مصادر متعددة ، مما يخلق متواليات لا يمكن العثور عليها في الجينوم. تشمل الأدوات الأخرى استخدام المكتبات الجينومية ، والمصفوفات الدقيقة للحمض النووي ، وناقلات التعبير ، والجينوميات الاصطناعية ، وتحرير الجينات CRISPR. [88] [89] العديد من هذه الأدوات لها تطبيقات واسعة مثل إنتاج بروتينات مفيدة طبيا ، أو تحسين زراعة النباتات وتربية الحيوانات. [88] الأنسولين البشري ، على سبيل المثال ، كان أول دواء يتم تصنيعه باستخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف. يمكن أن تنتج الأساليب الأخرى مثل pharming كميات كبيرة من المنتجات المفيدة طبيا من خلال استخدام الكائنات الحية المعدلة وراثيا. [88]

الجينات والتطور والتطور

التطور هو العملية التي يمر بها الكائن متعدد الخلايا (نبات أو حيوان) عبر سلسلة من التغييرات ، بدءًا من خلية واحدة ، ويأخذ أشكالًا مختلفة تميز دورة حياته. [90] هناك أربع عمليات أساسية تكمن وراء التنمية: التحديد والتمايز والتكوين والنمو. يحدد التحديد المصير التطوري للخلية ، والتي تصبح أكثر تقييدًا أثناء التطور. التمايز هو العملية التي يتم من خلالها الخلايا المتخصصة من الخلايا الأقل تخصصًا مثل الخلايا الجذعية. [91] [92] الخلايا الجذعية هي خلايا غير متمايزة أو متمايزة جزئيًا يمكنها التمايز إلى أنواع مختلفة من الخلايا والتكاثر إلى أجل غير مسمى لإنتاج المزيد من نفس الخلية الجذعية. [93] يغير التمايز الخلوي بشكل كبير حجم الخلية وشكلها وإمكانات الغشاء ونشاطها الأيضي والاستجابة للإشارات ، والتي ترجع إلى حد كبير إلى التعديلات الخاضعة للسيطرة العالية في التعبير الجيني وعلم التخلق. مع استثناءات قليلة ، لا ينطوي التمايز الخلوي على الإطلاق تقريبًا على تغيير في تسلسل الحمض النووي نفسه. [94] وهكذا ، يمكن أن يكون للخلايا المختلفة خصائص فيزيائية مختلفة للغاية على الرغم من امتلاكها لنفس الجينوم. ينتج التشكل ، أو تطور شكل الجسم ، عن الاختلافات المكانية في التعبير الجيني. [90] بشكل خاص ، تنظيم الأنسجة المتمايزة في هياكل محددة مثل الأذرع أو الأجنحة ، والذي يُعرف بتكوين الأنماط ، يخضع للمورفوجينات ، التي تشير إلى الجزيئات التي تنتقل من مجموعة واحدة من الخلايا إلى الخلايا المحيطة ، مما يؤدي إلى تكوين تدرج مورفوجين كما هو موصوف حسب نموذج العلم الفرنسي. يحدث موت الخلايا المبرمج ، أو موت الخلايا المبرمج ، أيضًا أثناء التكوُّن ، مثل موت الخلايا بين الأصابع في التطور الجنيني البشري ، والذي يحرر أصابع اليدين والقدمين. يمكن أن يحدد التعبير عن جينات عامل النسخ وضع العضو في النبات ، ويمكن لسلسلة من عوامل النسخ نفسها إنشاء تجزئة للجسم في ذبابة الفاكهة. [90]

يتحكم جزء صغير من الجينات في جينوم الكائن الحي يسمى مجموعة الأدوات الوراثية التطورية في تطور ذلك الكائن الحي. يتم حفظ جينات مجموعة الأدوات هذه بدرجة عالية بين الشُعب ، مما يعني أنها قديمة ومتشابهة جدًا في مجموعات منفصلة من الحيوانات على نطاق واسع. تؤثر الاختلافات في نشر جينات مجموعة الأدوات على مخطط الجسم وعدد وهوية ونمط أجزاء الجسم. من بين الجينات الأكثر أهمية في مجموعة الأدوات هوكس الجينات. تحدد جينات Hox مكان نمو الأجزاء المتكررة ، مثل العديد من فقرات الثعابين ، في الجنين أو اليرقة النامية. [95] قد تكون الاختلافات في مجموعة الأدوات قد أنتجت جزءًا كبيرًا من التطور المورفولوجي للحيوانات. يمكن لمجموعة الأدوات أن تقود التطور بطريقتين. يمكن التعبير عن جين مجموعة الأدوات بنمط مختلف ، كما حدث عندما تم تكبير منقار الحسون الأرضي الكبير لداروين بواسطة BMP الجين ، [96] أو عندما فقدت الثعابين أرجلها القاصي (Dlx) أصبحت الجينات ناقصة التعبير أو لم يتم التعبير عنها على الإطلاق في الأماكن التي استمرت فيها الزواحف الأخرى في تكوين أطرافها. [97] أو ، يمكن لجين مجموعة الأدوات أن يكتسب وظيفة جديدة ، كما يتضح من الوظائف العديدة لنفس الجين ، أقل البعيدة، التي تتحكم في الهياكل المتنوعة مثل الفك السفلي في الفقاريات ، [98] [99] الأرجل وقرون الاستشعار في ذبابة الفاكهة ، [100] ونمط بقعة العين في أجنحة الفراشة. [101] بالنظر إلى أن التغييرات الصغيرة في جينات صندوق الأدوات يمكن أن تسبب تغيرات مهمة في هياكل الجسم ، فقد مكنت في كثير من الأحيان من التطور المتقارب أو الموازي.

تطور

العمليات التطورية

المفهوم التنظيمي المركزي في علم الأحياء هو أن الحياة تتغير وتتطور من خلال التطور ، وهو التغيير في الخصائص القابلة للتوريث للسكان عبر الأجيال المتعاقبة. [102] [103] يستخدم التطور الآن لشرح الاختلافات الكبيرة في الحياة على الأرض. المصطلح تطور أدخله جان بابتيست دي لامارك إلى المعجم العلمي في عام 1809 ، [104] وبعد خمسين عامًا صاغ تشارلز داروين وألفريد راسل والاس نظرية التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي. [105] [106] [107] [108] وفقًا لهذه النظرية ، يختلف الأفراد عن بعضهم البعض فيما يتعلق بصفاتهم الوراثية ، مما يؤدي إلى معدلات مختلفة للبقاء والتكاثر. نتيجة لذلك ، من المرجح أن تنتقل السمات التي تتكيف بشكل أفضل مع بيئتها إلى الأجيال اللاحقة. [109] [110] لم يكن داروين على دراية بعمل مندل في الوراثة ، وبالتالي فإن الآلية الدقيقة للوراثة التي يقوم عليها الانتقاء الطبيعي لم تكن مفهومة جيدًا [111] حتى أوائل القرن العشرين عندما التوفيق بين التطور الدارويني وعلم الوراثة الكلاسيكي ، التي أسست منظور داروين جديد للتطور عن طريق الانتقاء الطبيعي. [112] يرى هذا المنظور أن التطور يحدث عندما تكون هناك تغييرات في ترددات الأليل داخل مجموعة من الكائنات الحية المتزاوجة. في غياب أي عملية تطورية تعمل على مجموعة كبيرة من التزاوج العشوائي ، ستبقى ترددات الأليل ثابتة عبر الأجيال كما هو موصوف في مبدأ هاردي واينبرغ. [113]

عملية أخرى تقود التطور هي الانجراف الجيني ، وهو التقلبات العشوائية لترددات الأليل داخل مجموعة سكانية من جيل إلى آخر. [114] عندما تكون القوى الانتقائية غائبة أو ضعيفة نسبيًا ، فإن ترددات الأليل تكون متساوية في احتمال حدوث ذلك المغزى لأعلى أو لأسفل في كل جيل متتالي لأن الأليلات عرضة لخطأ أخذ العينات. [115] يتوقف هذا الانجراف عندما يصبح الأليل ثابتًا في النهاية ، إما بالاختفاء من المجموعة أو استبدال الأليلات الأخرى تمامًا. لذلك ، قد يؤدي الانجراف الجيني إلى القضاء على بعض الأليلات من مجموعة بسبب الصدفة وحدها.

الانتواع

الانتواع هو عملية تقسيم سلالة واحدة إلى سلالتين تتطوران بشكل مستقل عن بعضهما البعض. [116] لكي يحدث الانتواع ، يجب أن تكون هناك عزلة إنجابية. [116] يمكن أن تنتج العزلة الإنجابية عن عدم التوافق بين الجينات كما هو موصوف في نموذج باتسون - دوبزانسكي - مولر. تميل العزلة الإنجابية أيضًا إلى الزيادة مع الاختلاف الجيني. يمكن أن يحدث الانتواع عندما تكون هناك حواجز فيزيائية تقسم نوعًا موروثًا ، وهي عملية تُعرف باسم الانتواع الوباطي. [116] في المقابل ، يحدث الانتواع الودي في غياب الحواجز المادية.

يمكن أن تمنع العزلة ما قبل اللاقحة مثل العزلات الميكانيكية والزمنية والسلوكية والموئل والعزلة المشيمية الأنواع المختلفة من التهجين. [116] وبالمثل ، يمكن أن تؤدي عزلات ما بعد اللاقحة إلى اختيار التهجين مقابل انخفاض قابلية الهجينة أو العقم الهجين (على سبيل المثال ، البغل). يمكن أن تظهر المناطق الهجينة إذا كانت هناك عزلة إنجابية غير كاملة بين نوعين مرتبطين ارتباطًا وثيقًا.

الأنساب

علم الوراثة هو تاريخ تطوري لمجموعة معينة من الكائنات الحية أو جيناتها. [117] يمكن تمثيل السلالة باستخدام شجرة النشوء والتطور ، وهي عبارة عن رسم بياني يوضح خطوط النسب بين الكائنات الحية أو جيناتها. يمثل كل خط مرسوم على المحور الزمني للشجرة سلالة من سلالة نوع أو مجموعة معينة. عندما ينقسم النسب إلى قسمين ، يتم تمثيله كعقدة (أو منقسمة) على شجرة النشوء والتطور. كلما زاد عدد الانقسامات بمرور الوقت ، زاد عدد الفروع الموجودة على الشجرة ، مع تمثيل السلف المشترك لجميع الكائنات الحية في تلك الشجرة بجذر تلك الشجرة. قد تصور الأشجار التطورية التاريخ التطوري لجميع أشكال الحياة ، أو مجموعة تطورية رئيسية (على سبيل المثال ، الحشرات) ، أو حتى مجموعة أصغر من الأنواع وثيقة الصلة. داخل الشجرة ، أي مجموعة من الأنواع المعينة بالاسم هي تصنيف (على سبيل المثال ، البشر ، الرئيسيات ، الثدييات ، أو الفقاريات) والأصناف التي تتكون من جميع أحفادها التطورية هي كليد. يشار إلى الأنواع وثيقة الصلة بالأنواع الشقيقة والكتل ذات الصلة الوثيقة هي الكتل الشقيقة.

الأشجار النشوء والتطور هي الأساس لمقارنة الأنواع المختلفة وتجميعها. [117] الأنواع المختلفة التي تشترك في سمة موروثة من سلف مشترك توصف بأنها ذات سمات متجانسة. قد تكون السمات المتشابهة أي سمات وراثية مثل تسلسل الحمض النووي وتركيب البروتين والسمات التشريحية وأنماط السلوك. العمود الفقري هو مثال على سمة متماثلة تشترك فيها جميع الفقاريات. يتم وصف السمات التي لها شكل أو وظيفة متشابهة ولكن لم يتم اشتقاقها من سلف مشترك على أنها ميزات مماثلة. يمكن إعادة بناء الأنساب لمجموعة من الكائنات الحية ذات الاهتمامات الأساسية ، والتي تسمى مجموعة الانقسام. يُطلق على النوع أو المجموعة التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالمجموعة ولكن خارجها من الناحية التطورية اسم المجموعة الخارجية ، والتي تخدم نقطة مرجعية في الشجرة. يقع جذر الشجرة بين الداخل والمجموعة الخارجية. [117] عندما يتم إعادة بناء أشجار النشوء والتطور ، يمكن إنشاء عدة أشجار لها تواريخ تطورية مختلفة. استنادًا إلى مبدأ البخل (أو شفرة أوكام) ، فإن الشجرة المفضلة هي الشجرة التي تحتوي على أقل تغيرات تطورية يجب افتراضها على جميع الصفات في جميع المجموعات. يمكن استخدام الخوارزميات الحسابية لتحديد كيفية تطور الشجرة في ضوء الأدلة. [117]

يوفر علم النسب أساس التصنيف البيولوجي ، الذي يعتمد على تصنيف ليني الذي طوره كارل لينيوس في القرن الثامن عشر. [117] يعتمد نظام التصنيف هذا على التصنيف ، حيث تكون أعلى مرتبة هي المجال تليها المملكة ، واللجوء ، والفئة ، والترتيب ، والعائلة ، والجنس ، والأنواع. [117] يمكن تصنيف جميع الكائنات الحية على أنها تنتمي إلى واحد من ثلاثة مجالات: البكتيريا العتيقة (البكتيريا القديمة في الأصل) (البكتيريا eubacteria في الأصل) ، أو حقيقيات النوى (بما في ذلك الممالك الأولية ، والفطريات ، والنبات ، والحيوان). [118] يتم استخدام التسمية ذات الحدين لتصنيف الأنواع المختلفة. بناءً على هذا النظام ، يتم إعطاء كل نوع اسمين ، أحدهما لجنسه والآخر لنوعه. [117] على سبيل المثال ، البشر الانسان العاقل، مع وطي كونها الجنس و العاقل كونها الأنواع. حسب الاصطلاح ، فإن الأسماء العلمية للكائنات مائلة ، مع كتابة الحرف الأول فقط من الجنس بحروف كبيرة. [119] [120]

تاريخ الحياة

يتتبع تاريخ الحياة على الأرض العمليات التي تطورت بها الكائنات الحية من أول ظهور للحياة إلى يومنا هذا. تشكلت الأرض منذ حوالي 4.5 مليار سنة ، وانحدرت كل أشكال الحياة على الأرض ، سواء كانت حية أو منقرضة ، من سلف مشترك عالمي آخر عاش منذ حوالي 3.5 مليار سنة. [121] [122] تشير أوجه التشابه بين جميع الأنواع المعروفة في الوقت الحاضر إلى أنها تباعدت خلال عملية التطور عن سلفها المشترك. [123] يعتبر علماء الأحياء أن انتشار الشفرة الجينية في كل مكان هو دليل على الأصل المشترك الشامل لجميع البكتيريا ، والعتائق ، وحقيقيات النوى. [124] [10] [125] [126]

كانت الحصائر المجهرية للبكتيريا والعتيقات المتعايشة هي الشكل السائد للحياة في أوائل العصر الأركيولوجي ويعتقد أن العديد من الخطوات الرئيسية في التطور المبكر قد حدثت في هذه البيئة. [127] يرجع أقدم دليل على حقيقيات النوى إلى 1.85 مليار سنة ماضية ، [128] [129] وبينما كانت موجودة في وقت سابق ، تسارع تنوعها عندما بدأوا في استخدام الأكسجين في عملية التمثيل الغذائي. في وقت لاحق ، منذ حوالي 1.7 مليار سنة ، بدأت الكائنات متعددة الخلايا في الظهور بخلايا متمايزة تؤدي وظائف متخصصة. [130]

تعود النباتات البرية متعددة الخلايا الشبيهة بالطحالب إلى ما يقرب من 1 مليار سنة ، [131] على الرغم من أن الأدلة تشير إلى أن الكائنات الحية الدقيقة شكلت أقدم النظم البيئية الأرضية ، قبل 2.7 مليار سنة على الأقل. [132] يُعتقد أن الكائنات الحية الدقيقة مهدت الطريق لظهور النباتات البرية في العصر الأوردوفيشي. كانت النباتات البرية ناجحة جدًا لدرجة أنه يُعتقد أنها ساهمت في حدث انقراض العصر الديفوني المتأخر. [133]

ظهرت الكائنات الحية في Ediacara خلال فترة Ediacaran ، [134] بينما نشأت الفقاريات ، جنبًا إلى جنب مع معظم الشعب الحديثة الأخرى ، منذ حوالي 525 مليون سنة أثناء الانفجار الكمبري. [135] خلال العصر البرمي ، سيطرت نقاط الاشتباك العصبي ، بما في ذلك أسلاف الثدييات ، على الأرض ، [136] ولكن معظم هذه المجموعة انقرضت في حدث الانقراض البرمي-الترياسي قبل 252 مليون سنة. [137] خلال فترة التعافي من هذه الكارثة ، أصبحت الأركوصورات أكثر الفقاريات البرية وفرة. [139] بعد انقراض العصر الطباشيري - الباليوجيني قبل 66 مليون سنة قتل الديناصورات غير الطيرية ، [140] زادت الثدييات بسرعة في الحجم والتنوع. [141] ربما تكون هذه الانقراضات الجماعية قد سرعت التطور من خلال توفير الفرص لمجموعات جديدة من الكائنات الحية للتنويع. [142]

تنوع

البكتيريا والعتائق

البكتيريا هي نوع من الخلايا التي تشكل مجالًا كبيرًا من الكائنات الحية الدقيقة بدائية النواة. عادةً ما يكون طول البكتيريا بضعة ميكرومتر ، وتتنوع الأشكال من الكرات إلى القضبان واللوالب. كانت البكتيريا من بين أشكال الحياة الأولى التي ظهرت على الأرض ، وهي موجودة في معظم موائلها. تعيش البكتيريا في التربة والمياه والينابيع الحارة الحمضية والنفايات المشعة [143] والمحيط الحيوي العميق لقشرة الأرض. تعيش البكتيريا أيضًا في علاقات تكافلية وطفيلية مع النباتات والحيوانات. معظم البكتيريا لم يتم توصيفها ، وحوالي 27 بالمائة فقط من الشعب البكتيرية بها أنواع يمكن زراعتها في المختبر. [144]

تشكل العتائق المجال الآخر للخلايا بدائية النواة وقد تم تصنيفها في البداية على أنها بكتيريا ، وحصلت على اسم البكتيريا القديمة (في مملكة البكتيريا القديمة) ، وهو مصطلح لم يعد صالحًا للاستخدام. [145] للخلايا البدائية خصائص فريدة تفصلها عن المجالين الآخرين ، البكتيريا وحقيقيات النوى. وتنقسم الأركيا أيضًا إلى عدة شُعَب معترف بها. تتشابه العتائق والبكتيريا بشكل عام في الحجم والشكل ، على الرغم من أن عددًا قليلاً من الأركيا لها أشكال مختلفة جدًا ، مثل الخلايا المسطحة والمربعة في هالوكوادراتوم والسبي. [146] على الرغم من هذا التشابه المورفولوجي مع البكتيريا ، تمتلك العتائق جينات والعديد من المسارات الأيضية التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتلك الموجودة في حقيقيات النوى ، لا سيما الإنزيمات المشاركة في النسخ والترجمة. تعتبر الجوانب الأخرى للكيمياء الحيوية البدائية فريدة من نوعها ، مثل اعتمادها على دهون الأثير في أغشية الخلايا ، [147] بما في ذلك الآثار القديمة. تستخدم الأركيا مصادر طاقة أكثر من حقيقيات النوى: تتراوح من المركبات العضوية ، مثل السكريات ، إلى الأمونيا ، أيونات المعادن أو حتى غاز الهيدروجين. تستخدم العتائق المقاومة للملح (Haloarchaea) ضوء الشمس كمصدر للطاقة ، وأنواع أخرى من العتائق تثبت الكربون ، ولكن على عكس النباتات والبكتيريا الزرقاء ، لا توجد أنواع معروفة من العتائق تفعل الأمرين معًا. تتكاثر العتائق لاجنسيًا عن طريق الانشطار الثنائي أو التفتت أو التبرعم على عكس البكتيريا ، ولا توجد أنواع معروفة من الأركيا تشكل أبواغًا داخلية.

كانت الكائنات البدائية الأولى التي تمت ملاحظتها هي الكائنات الحية المتطرفة ، التي تعيش في بيئات قاسية ، مثل الينابيع الساخنة وبحيرات الملح مع عدم وجود كائنات أخرى. أدت أدوات الكشف الجزيئي المحسنة إلى اكتشاف العتائق في كل موطن تقريبًا ، بما في ذلك التربة والمحيطات والأهوار. تتعدد العتائق بشكل خاص في المحيطات ، وقد تكون الأركيا في العوالق واحدة من أكثر مجموعات الكائنات الحية وفرة على هذا الكوكب.

تعد الأركيا جزءًا رئيسيًا من حياة الأرض. هم جزء من الكائنات الحية الدقيقة لجميع الكائنات الحية. في الميكروبيوم البشري ، هم مهمون في الأمعاء والفم والجلد. [148] يسمح تنوعها المورفولوجي والأيضي والجغرافي بلعب أدوار بيئية متعددة: على سبيل المثال تثبيت النيتروجين ودورة دوران المركب العضوي والحفاظ على المجتمعات التكافلية والتركيبية الميكروبية. [149]

الخلية

الطلائعيات هي كائن حقيقي النواة ليس حيوانًا أو نباتًا أو فطرًا. على الرغم من أنه من المحتمل أن تشترك الطلائعيات في سلف مشترك (آخر سلف مشترك حقيقي النواة) ، [150] إلا أن استبعاد حقيقيات النوى الأخرى يعني أن الطلائعيات لا تشكل مجموعة طبيعية أو كليد. [أ] لذا فإن بعض الطلائعيات قد تكون مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالحيوانات أو النباتات أو الفطريات أكثر من ارتباطها بالحيوانات الأولية الأخرى ، مثل الطحالب أو اللافقاريات أو البروتوزوان ، يتم استخدام التجمع للراحة. [151]

لا يزال تصنيف الطلائعيات يتغير. تحاول التصنيفات الأحدث تقديم مجموعات أحادية النواة على أساس المعلومات المورفولوجية (خاصة البنية التحتية) ، [152] [153] [154] البيوكيميائية (علم القياس الكيميائي) [155] [156] وتسلسل الحمض النووي (البحث الجزيئي). [157] [158] نظرًا لأن الطلائعيات ككل هي شبيهة بالحيوية ، غالبًا ما تنقسم الأنظمة الجديدة أو تتخلى عن المملكة ، وبدلاً من ذلك تعامل المجموعات الأولية على أنها خطوط منفصلة من حقيقيات النوى.

تنوع النبات

النباتات هي في الأساس كائنات متعددة الخلايا ، في الغالب حقيقيات النوى الضوئية للمملكة بلانتاي. علم النبات هو دراسة الحياة النباتية ، والذي يستبعد الفطريات وبعض الطحالب. درس علماء النبات ما يقرب من 410.000 نوع من النباتات البرية منها حوالي 391.000 نوع من النباتات الوعائية (بما في ذلك حوالي 369.000 نوع من النباتات المزهرة) ، [159] وحوالي 20.000 نوع من النباتات الطحلبية. [160]

الطحالب عبارة عن مجموعة كبيرة ومتنوعة من الكائنات حقيقية النواة في التمثيل الضوئي. تتراوح الكائنات الحية المتضمنة من الطحالب الدقيقة أحادية الخلية ، مثل الكلوريلا، Prototheca و الدياتومات ، إلى أشكال متعددة الخلايا ، مثل عشب البحر العملاق ، طحلب بني كبير. معظمها مائية وذاتية التغذية وتفتقر إلى العديد من أنواع الخلايا والأنسجة المتميزة ، مثل الثغور والخشب واللحاء ، والتي توجد في النباتات البرية. تسمى أكبر الطحالب البحرية وأكثرها تعقيدًا الأعشاب البحرية ، في حين أن أكثر أشكال المياه العذبة تعقيدًا هي Charophyta.

النباتات غير الوعائية هي نباتات لا تحتوي على نظام وعائي يتكون من نسيج الخشب واللحاء. بدلاً من ذلك ، قد تمتلك أنسجة أبسط لها وظائف متخصصة للنقل الداخلي للمياه. من ناحية أخرى ، فإن نباتات الأوعية الدموية عبارة عن مجموعة كبيرة من النباتات (300000 نوع معروف مقبول) [161] والتي يتم تعريفها على أنها نباتات أرضية ذات أنسجة خشبية (نسيج الخشب) لتوصيل المياه والمعادن في جميع أنحاء النبات. [162] لديهم أيضًا نسيج متخصص غير محشور (اللحاء) لإجراء نواتج التمثيل الضوئي. تشمل النباتات الوعائية الطحالب ، ذيل الحصان ، السرخس ، عاريات البذور (بما في ذلك الصنوبريات) وكاسيات البذور (النباتات المزهرة).

تتكون نباتات البذور (أو الحيوانات المنوية) من خمسة أقسام ، أربعة منها مجمعة على أنها عاريات البذور وواحد كاسيات البذور. تشمل عاريات البذور الصنوبريات ، السيكاسيات ، الجنكة، و gnetophytes. تتطور بذور عاريات البذور إما على سطح القشور أو الأوراق ، والتي غالبًا ما يتم تعديلها لتشكيل مخاريط ، أو انفرادية كما هو الحال في الطقسوس ، توريا, الجنكة. [163] كاسيات البذور هي المجموعة الأكثر تنوعًا من النباتات البرية ، مع 64 رتبة ، 416 عائلة ، ما يقرب من 13000 جنس معروف و 300000 نوع معروف. [161] مثل عاريات البذور ، كاسيات البذور هي نباتات منتجة للبذور. تتميز عن عاريات البذور بخصائصها مثل الأزهار والسويداء في بذورها وإنتاج الثمار التي تحتوي على البذور.

الفطريات

الفطريات هي كائنات حقيقية النواة تحتوي على كائنات دقيقة مثل الخمائر والعفن ، بالإضافة إلى الفطر الأكثر شيوعًا. السمة التي تضع الفطريات في مملكة مختلفة عن النباتات والبكتيريا وبعض الطلائعيات هي الكيتين في جدرانها الخلوية. الفطريات ، مثل الحيوانات ، هي كائنات غيرية التغذية تكتسب طعامها عن طريق امتصاص الجزيئات الذائبة ، عادةً عن طريق إفراز الإنزيمات الهاضمة في بيئتها. الفطريات لا تقوم بعملية التمثيل الضوئي. النمو هو وسيلة حركتهم ، باستثناء الأبواغ (القليل منها مغطى بالجلد) ، والتي قد تنتقل عبر الهواء أو الماء. الفطريات هي المُحلِّلات الرئيسية في النظم البيئية. هذه الاختلافات وغيرها تضع الفطريات في مجموعة واحدة من الكائنات الحية ذات الصلة ، تسمى يوميكوتا (الفطريات الحقيقية أو الفطريات) ، والتي تشترك في سلف مشترك (من أ مجموعة أحادية اللون). تتميز هذه المجموعة الفطرية عن الفطريات الفطرية المتشابهة هيكليًا (قوالب الوحل) و الفطريات الفطرية (قوالب الماء).

معظم الفطريات غير واضحة بسبب صغر حجمها ، وأنماط حياتها الخفية في التربة أو في المواد الميتة. تشمل الفطريات متعايشات من النباتات أو الحيوانات أو الفطريات الأخرى وكذلك الطفيليات. قد تصبح ملحوظة عند الإثمار ، إما على شكل عيش الغراب أو كعفن. تؤدي الفطريات دورًا أساسيًا في تحلل المواد العضوية ولها أدوار أساسية في تدوير المغذيات وتبادلها في البيئة.

تضم مملكة الفطريات تنوعًا هائلاً من الأصناف ذات الإيكولوجيا المتنوعة ، واستراتيجيات دورة الحياة ، والتشكيلات التي تتراوح من الفطر المائي وحيد الخلية إلى الفطر الكبير. ومع ذلك ، لا يُعرف سوى القليل عن التنوع البيولوجي الحقيقي لفطريات المملكة ، والتي تقدر بنحو 2.2 مليون إلى 3.8 مليون نوع. [164] من بين هؤلاء ، تم وصف 148000 نوع فقط ، [165] مع أكثر من 8000 نوع معروف بأنها ضارة بالنباتات وما لا يقل عن 300 نوع يمكن أن تكون مسببة للأمراض للإنسان. [166]

التنوع الحيواني

الحيوانات هي كائنات حقيقية النواة متعددة الخلايا تشكل مملكة Animalia. مع استثناءات قليلة ، تستهلك الحيوانات المواد العضوية ، وتتنفس الأكسجين ، وتكون قادرة على الحركة ، ويمكنها التكاثر الجنسي ، والنمو من مجال أجوف من الخلايا ، وهو الأريمة ، أثناء التطور الجنيني. تم وصف أكثر من 1.5 مليون نوع حيواني حي - منها حوالي مليون حشرة - ولكن يُقدر أن هناك أكثر من 7 ملايين نوع حيواني في المجموع. لديهم تفاعلات معقدة مع بعضهم البعض وبيئاتهم ، وتشكيل شبكات غذائية معقدة.

الإسفنج ، أعضاء شعبة بوريفيرا ، عبارة عن كليد ميتازوا (حيوان) قاعدية كأخت للدبلوبلاستس. [167] [168] [169] [170] [171] هي كائنات متعددة الخلايا لها أجسام مليئة بالمسام والقنوات التي تسمح للماء بالمرور من خلالها ، وتتكون من مادة ميسوهيل تشبه الهلام محصورة بين طبقتين رفيعتين من الخلايا.

97٪) من أنواع الحيوانات هي من اللافقاريات ، [172] وهي حيوانات لا تمتلك ولا تطور عمودًا فقريًا (المعروف باسم a العمود الفقري أو العمود الفقري) ، مشتق من الحبل الظهري. وهذا يشمل جميع الحيوانات باستثناء subphylum Vertebrata. تشمل الأمثلة المألوفة للافقاريات المفصليات (الحشرات ، العناكب ، القشريات ، وعضلات الأرجل) ، الرخويات (الكيتون ، الحلزون ، ذوات الصدفتين ، الحبار ، والأخطبوطات) ، الحلقي (ديدان الأرض والعلقات) ، والكنيداريا (الهيدرا وقنديل البحر وشقائق النعمان البحرية. ). تمتلك العديد من الأصناف اللافقارية عددًا وتنوعًا أكبر من الأنواع من مجموعة فرعية كاملة من الفقاريات. [173]

على النقيض من ذلك ، تضم الفقاريات جميع أنواع الحيوانات داخل subphylum Vertebrata (الحبليات ذات العمود الفقري). تمثل الفقاريات الغالبية العظمى من شعبة الحبليات ، مع وصف حوالي 69،963 نوعًا حاليًا. [174] تشمل الفقاريات مجموعات مثل الأسماك الخالية من الفك والفقاريات الفكية مثل الأسماك الغضروفية (أسماك القرش والشفنين وسمك الجرذ) والأسماك العظمية ورباعية الأطراف مثل البرمائيات والزواحف والطيور والثدييات.

الفيروسات

الفيروسات هي عوامل معدية تحت المجهر تتكاثر داخل الخلايا الحية للكائنات الحية. [175] تصيب الفيروسات جميع أشكال الحياة ، من الحيوانات والنباتات إلى الكائنات الحية الدقيقة ، بما في ذلك البكتيريا والعتائق. [176] [177] تم وصف أكثر من 6000 نوع من الفيروسات بالتفصيل. [178] توجد الفيروسات في كل نظام بيئي تقريبًا على الأرض وهي أكثر أنواع الكيانات البيولوجية عددًا. [179] [180]

عند الإصابة ، تُجبر الخلية المضيفة على إنتاج آلاف النسخ المتطابقة من الفيروس الأصلي بسرعة. عندما لا تكون داخل خلية مصابة أو في طور إصابة خلية ، توجد الفيروسات في شكل جزيئات مستقلة ، أو virionsيتكون من المادة الوراثية (DNA أو RNA) ، وهو غلاف بروتيني يسمى قفيصة، وفي بعض الحالات غلاف خارجي من الدهون. وتتراوح أشكال جسيمات الفيروس هذه من الأشكال الحلزونية البسيطة وعشرونية الوجوه إلى الهياكل الأكثر تعقيدًا. تحتوي معظم أنواع الفيروسات على فيريونات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالمجهر الضوئي ، حيث إنها تبلغ واحدًا من مائة حجم معظم البكتيريا.

إن أصول الفيروسات في التاريخ التطوري للحياة غير واضحة: قد يكون بعضها قد تطور من البلازميدات - أجزاء من الدنا يمكنها أن تنتقل بين الخلايا - بينما قد يكون البعض الآخر قد تطور من البكتيريا. في التطور ، تعد الفيروسات وسيلة مهمة لنقل الجينات الأفقي ، مما يزيد من التنوع الجيني بطريقة مماثلة للتكاثر الجنسي.[181] نظرًا لأن الفيروسات تمتلك بعض وليس كل خصائص الحياة ، فقد وُصفت بأنها "كائنات حية على حافة الحياة" ، [182] وكائنات ذاتية التكاثر. [183]

يمكن للفيروسات أن تنتشر بعدة طرق. يمر أحد مسارات الانتقال من خلال الكائنات الحية الحاملة للأمراض المعروفة باسم النواقل: على سبيل المثال ، غالبًا ما تنتقل الفيروسات من نبات إلى آخر عن طريق الحشرات التي تتغذى على عصارة النبات ، مثل حشرات المن والفيروسات في الحيوانات يمكن أن تحملها الحشرات الماصة للدم. تنتشر فيروسات الإنفلونزا عن طريق السعال والعطس. ينتقل نوروفيروس وفيروس الروتا ، وهما من الأسباب الشائعة لالتهاب المعدة والأمعاء الفيروسي ، عن طريق الطريق الفموي البرازي ، ويمر عن طريق التلامس باليد للفم أو في الطعام أو الماء. تثير العدوى الفيروسية في الحيوانات استجابة مناعية تقضي عادة على الفيروس المصاب. يمكن أيضًا إنتاج الاستجابات المناعية عن طريق اللقاحات ، والتي تمنح مناعة مكتسبة صناعيًا لعدوى فيروسية محددة.

شكل النبات ووظيفته

جسم النبات

يتكون جسم النبات من أعضاء يمكن تنظيمها في نظامين رئيسيين للأعضاء: نظام الجذر ونظام إطلاق النار. [184] نظام الجذر يثبت النباتات في مكانها. تمتص الجذور نفسها الماء والمعادن وتخزن منتجات التمثيل الضوئي. يتكون نظام إطلاق النار من الساق والأوراق والزهور. تمسك السيقان بالأوراق وتوجهها نحو الشمس ، مما يسمح للأوراق بإجراء عملية التمثيل الضوئي. الزهور هي براعم تم تعديلها للتكاثر. تتكون البراعم من نباتات نباتية ، وهي وحدات وظيفية تتكون من عقدة تحمل ورقة واحدة أو أكثر ، وداخلية ، وبراعم واحد أو أكثر.

يتكون جسم النبات من نمطين أساسيين (محور قمي - قاعدي وشعاعي) تم إنشاؤهما أثناء مرحلة التطور الجنيني. [184] يتم ترتيب الخلايا والأنسجة على طول المحور القاعدي القمي من الجذر إلى الجذع بينما يتم ترتيب أنظمة الأنسجة الثلاثة (الجلد والأرض والأوعية الدموية) التي تشكل جسم النبات بشكل مركز حول محورها الشعاعي. [184] يشكل نظام الأنسجة الجلدية طبقة الأدمة (أو الغطاء الخارجي) للنبات ، والذي عادة ما يكون عبارة عن طبقة خلية واحدة تتكون من خلايا متمايزة إلى ثلاثة هياكل متخصصة: الثغور لتبادل الغازات في الأوراق ، والتريشومات (أو شعر الأوراق ) للحماية من الحشرات والإشعاع الشمسي ، ولحماية جذور الشعر من زيادة المساحات السطحية وامتصاص الماء والمغذيات. تشكل الأنسجة الأرضية تقريبًا كل الأنسجة التي تقع بين أنسجة الجلد والأوعية الدموية في البراعم والجذور. يتكون من ثلاثة أنواع من الخلايا: خلايا الحمة ، والخلايا المتصلبة. أخيرًا ، تتكون أنسجة الأوعية الدموية من نسجين مكونين: نسيج الخشب واللحاء. يتكون نسيج الخشب من خليتين موصلتين تسمى القصيبات وعناصر الأوعية ، بينما يتميز اللحاء بوجود عناصر أنبوب الغربال والخلايا المصاحبة. [184]

تغذية النبات والنقل

مثل جميع الكائنات الحية الأخرى ، تتكون النباتات أساسًا من الماء وجزيئات أخرى تحتوي على عناصر ضرورية للحياة. [185] يمكن أن يؤدي عدم وجود عناصر غذائية محددة (أو عناصر أساسية) ، والتي تم تحديد العديد منها في تجارب الزراعة المائية ، إلى تعطيل نمو النبات وتكاثره. تستطيع غالبية النباتات الحصول على هذه العناصر الغذائية من المحاليل التي تحيط بجذورها في التربة. [١٨٥] الغسل المستمر وحصاد المحاصيل يمكن أن يستنفد التربة من مغذياتها ، والتي يمكن استعادتها باستخدام الأسمدة. يمكن للنباتات آكلة اللحوم مثل Venus flytraps الحصول على العناصر الغذائية عن طريق هضم المفصليات الأخرى بينما يمكن للنباتات الطفيلية مثل الهدال أن تتطفل على النباتات الأخرى للحصول على الماء والمغذيات.

تحتاج النباتات إلى الماء لإجراء عملية التمثيل الضوئي ، ونقل المواد المذابة بين الأعضاء ، وتبريد أوراقها عن طريق التبخر ، والحفاظ على الضغوط الداخلية التي تدعم أجسامها. [١٨٥] الماء قادر على الانتشار داخل وخارج الخلايا النباتية عن طريق التناضح. يتم تحديد اتجاه حركة الماء عبر غشاء شبه نافذ من خلال جهد الماء عبر هذا الغشاء. [١٨٥] الماء قادر على الانتشار عبر غشاء الخلية الجذرية من خلال الأكوابورينات بينما يتم نقل المواد المذابة عبر الغشاء عن طريق القنوات الأيونية والمضخات. في نباتات الأوعية الدموية ، يمكن للماء والمذابات أن تدخل النسيج الخشبي ، وهو نسيج وعائي ، عن طريق apoplast و symplast. مرة واحدة في نسيج الخشب ، يتم توزيع الماء والمعادن إلى أعلى عن طريق النتح من التربة إلى الأجزاء الهوائية من النبات. [162] [185] على النقيض من ذلك ، فإن اللحاء ، وهو نسيج وعائي آخر ، يوزع الكربوهيدرات (مثل السكروز) والمواد المذابة الأخرى مثل الهرمونات عن طريق الانتقال من مصدر (على سبيل المثال ، الأوراق الناضجة أو الجذر) حيث يتم إنتاجها إلى الحوض (على سبيل المثال ، جذر أو زهرة أو فاكهة نامية) حيث سيتم استخدامها وتخزينها. [١٨٥] يمكن للمصادر والأحواض تبديل الأدوار ، اعتمادًا على كمية الكربوهيدرات المتراكمة أو المعبأة لتغذية الأعضاء الأخرى.

تطوير النبات

يتم تنظيم تطور النبات من خلال الإشارات البيئية والمستقبلات والهرمونات والجينوم الخاص بالنبات. [186] علاوة على ذلك ، فإن لديهم العديد من الخصائص التي تسمح لهم بالحصول على موارد للنمو والتكاثر مثل الإنزيمات ، وتكوين الأعضاء بعد الجنين ، والنمو التفاضلي.

يبدأ التطور ببذرة ، وهي نبات جنيني محاط بغطاء خارجي واقي. عادة ما تكون معظم بذور النباتات نائمة ، وهي حالة يتم فيها تعليق النشاط الطبيعي للبذور. [١٨٦] قد يستمر سكون البذور لأسابيع وشهور وسنوات وحتى قرون. يتم كسر السكون بمجرد أن تكون الظروف مواتية للنمو ، وستبدأ البذور في الإنبات ، وهي عملية تسمى الإنبات. التشرب هو الخطوة الأولى في الإنبات ، حيث تمتص البذور الماء. بمجرد امتصاص الماء ، تخضع البذور لتغييرات أيضية حيث يتم تنشيط الإنزيمات ويتم تصنيع الحمض النووي الريبي والبروتينات. بمجرد أن تنبت البذرة ، تحصل على الكربوهيدرات والأحماض الأمينية والدهون الصغيرة التي تعمل بمثابة اللبنات الأساسية لتطورها. يتم الحصول على هذه المونومرات من التحلل المائي للنشا والبروتينات والدهون المخزنة في الفلقات أو السويداء. يكتمل الإنبات بمجرد ظهور جذور جنينية تسمى الجذر من غلاف البذرة. في هذه المرحلة ، يُطلق على النبات النامي اسم الشتلة وينظم نموه من خلال البروتينات والهرمونات المستقبلة للضوء الخاصة به. [186]

على عكس الحيوانات التي يتم فيها تحديد النمو ، أي يتوقف عند الوصول إلى حالة البلوغ ، يكون نمو النبات غير محدد لأنه عملية مفتوحة يمكن أن تستمر مدى الحياة. [184] تنمو النباتات بطريقتين: الابتدائية والثانوية. في النمو الأولي ، يتم تشكيل وإطالة البراعم والجذور. ينتج النسيج الإنشائي القمي الجسم الأساسي للنبات ، والذي يمكن العثور عليه في جميع نباتات البذور. أثناء النمو الثانوي ، يزداد سمك النبات لأن النسيج الإنشائي الجانبي ينتج جسم النبات الثانوي ، والذي يمكن العثور عليه في eudicots الخشبية مثل الأشجار والشجيرات. Monocots لا تمر بالنمو الثانوي. [184] يتكون جسم النبات من تسلسل هرمي للمريستيم. تؤدي الخلايا الإنشائية القمية في أنظمة الجذور والبراعم إلى ظهور الإنزيمات الأولية (الأديم الأولي ، والمرض الأرضي ، والبروكامبيوم) ، والتي بدورها تؤدي إلى ظهور أنظمة الأنسجة الثلاثة (الجلد والأرض والأوعية الدموية).

تكاثر النبات

تشارك معظم كاسيات البذور (أو النباتات المزهرة) في التكاثر الجنسي. [187] أزهارهم هي أعضاء تسهل التكاثر ، وعادةً ما توفر آلية لاتحاد الحيوانات المنوية بالبويضات. قد تسهل الأزهار نوعين من التلقيح: التلقيح الذاتي والتلقيح المتبادل. يحدث التلقيح الذاتي عندما تترسب حبوب اللقاح من العضو الآخر على وصمة الزهرة نفسها ، أو زهرة أخرى على نفس النبات. التلقيح المتبادل هو نقل حبوب اللقاح من زهرة أخرى إلى وصمة العار لزهرة أخرى على فرد مختلف من نفس النوع. يحدث التلقيح الذاتي في الأزهار حيث تنضج السداة والكربل في نفس الوقت ، ويتم وضعها بحيث يمكن لحبوب اللقاح أن تهبط على وصمة الزهرة. لا يتطلب هذا التلقيح استثمارًا من النبات لتوفير الرحيق وحبوب اللقاح كغذاء للملقحات. [188]

استجابات النبات

مثل الحيوانات ، تفرز النباتات هرمونات في جزء من جسمها لإرسال إشارة للخلايا في جزء آخر للاستجابة. يتم التحكم في نضج الثمار وفقدان الأوراق في الشتاء جزئيًا عن طريق إنتاج غاز الإيثيلين بواسطة المصنع. يمكن أن يؤدي الإجهاد الناجم عن فقدان الماء ، والتغيرات في كيمياء الهواء ، أو الازدحام من قبل النباتات الأخرى إلى تغييرات في طريقة عمل النبات. قد تتأثر هذه التغييرات بالعوامل الوراثية والكيميائية والفيزيائية.

من أجل العمل والبقاء على قيد الحياة ، تنتج النباتات مجموعة واسعة من المركبات الكيميائية غير الموجودة في الكائنات الحية الأخرى. ولأنها لا تستطيع الحركة ، يجب على النباتات أيضًا أن تدافع عن نفسها كيميائيًا من الحيوانات العاشبة ومسببات الأمراض والمنافسة من النباتات الأخرى. يفعلون ذلك عن طريق إنتاج السموم والمواد الكيميائية كريهة الطعم أو الرائحة. المركبات الأخرى تدافع عن النباتات ضد الأمراض ، وتسمح بالبقاء على قيد الحياة أثناء الجفاف ، وتحضر النباتات للسكون ، بينما تستخدم المركبات الأخرى لجذب الملقحات أو العواشب لنشر البذور الناضجة.

تحتوي العديد من الأعضاء النباتية على أنواع مختلفة من بروتينات المستقبلات الضوئية ، يتفاعل كل منها بشكل خاص للغاية مع أطوال موجية معينة من الضوء. [189] تقوم بروتينات المستقبلات الضوئية بنقل المعلومات مثل ما إذا كان النهار أو الليل ، ومدة النهار ، وشدة الضوء المتاح ، ومصدر الضوء. تنمو البراعم عمومًا باتجاه الضوء ، بينما تنمو الجذور بعيدًا عنها ، تُعرف الاستجابات بالاتجاه الضوئي و skotropism ، على التوالي. تنتج عن طريق أصباغ حساسة للضوء مثل phototropins و phytochromes وهرمون النبات أوكسين. [190] تزدهر العديد من النباتات المزهرة في الوقت المناسب بسبب المركبات الحساسة للضوء التي تستجيب لطول الليل ، وهي ظاهرة تعرف بالحيوية الضوئية.

بالإضافة إلى الضوء ، يمكن للنباتات أن تستجيب لأنواع أخرى من المحفزات. على سبيل المثال ، يمكن للنباتات أن تستشعر اتجاه الجاذبية لتوجيه نفسها بشكل صحيح. يمكنهم الاستجابة للتحفيز الميكانيكي. [191]

شكل الحيوان ووظيفته

مبادئ

تغمر الخلايا الموجودة في كل جسم حيوان في السائل الخلالي الذي يشكل بيئة الخلية. يمكن وصف هذا السائل وجميع خصائصه (مثل درجة الحرارة والتركيب الأيوني) على أنها البيئة الداخلية للحيوان ، والتي تتناقض مع البيئة الخارجية التي تشمل العالم الخارجي للحيوان. [192] يمكن تصنيف الحيوانات على أنها إما منظمات أو مطابقة. الحيوانات مثل الثدييات والطيور هي جهات تنظيمية لأنها قادرة على الحفاظ على بيئة داخلية ثابتة مثل درجة حرارة الجسم على الرغم من تغير بيئاتها. توصف هذه الحيوانات أيضًا بأنها حرارة منزلية لأنها تعرض التنظيم الحراري من خلال الحفاظ على درجة حرارة أجسامها الداخلية ثابتة. في المقابل ، فإن الحيوانات مثل الأسماك والضفادع هي مطابقة لأنها تكيف بيئتها الداخلية (على سبيل المثال ، درجة حرارة الجسم) لتتناسب مع بيئاتها الخارجية. توصف هذه الحيوانات أيضًا باسم درجات الحرارة الخارجية أو الحرارة الخارجية لأنها تسمح لدرجات حرارة أجسامها بمطابقة بيئاتها الخارجية. من حيث الطاقة ، يعد التنظيم أكثر تكلفة من التوافق حيث يوسع الحيوان المزيد من الطاقة للحفاظ على بيئة داخلية ثابتة مثل زيادة معدل الأيض الأساسي ، وهو معدل استهلاك الطاقة. [192] وبالمثل ، فإن الحرارة المنزلية أكثر تكلفة من الحرارة. الاستتباب هو استقرار البيئة الداخلية للحيوان ، والذي يتم الحفاظ عليه من خلال حلقات التغذية الراجعة السلبية. [192] [193]

يختلف حجم جسم الحيوانات الأرضية باختلاف الأنواع ولكن استخدامها للطاقة لا يتناسب مع حجمها. [192] الفئران ، على سبيل المثال ، قادرة على تناول طعام أكثر بثلاث مرات من الأرانب بما يتناسب مع أوزانها حيث أن معدل الأيض الأساسي لكل وحدة وزن في الفئران أكبر منه في الأرانب. [192] يمكن أن يؤدي النشاط البدني أيضًا إلى زيادة معدل التمثيل الغذائي للحيوان. عندما يركض الحيوان ، يزداد معدل الأيض بشكل خطي مع السرعة. [192] ومع ذلك ، فإن العلاقة غير خطية في الحيوانات التي تسبح أو تطير. عندما تسبح السمكة بشكل أسرع ، فإنها تواجه مقاومة أكبر للماء ، وبالتالي تزداد معدلات الأيض بشكل كبير. [192] بدلاً من ذلك ، فإن العلاقة بين سرعات الطيران ومعدلات التمثيل الغذائي تكون على شكل حرف U في الطيور. [192] عند سرعات الطيران المنخفضة ، يجب أن يحافظ الطائر على معدلات أيض عالية ليظل في الهواء. مع تسريع تحليقها ، ينخفض ​​معدل الأيض بمساعدة الهواء الذي يتدفق بسرعة فوق أجنحته. ومع ذلك ، مع زيادة سرعته بشكل أكبر ، ترتفع معدلات الأيض المرتفعة مرة أخرى بسبب الجهد المتزايد المرتبط بسرعات الطيران السريعة. يمكن قياس معدلات الأيض القاعدية بناءً على معدل إنتاج الحيوان للحرارة.

توازن الماء والملح

سوائل جسم الحيوان لها ثلاث خصائص: الضغط الاسموزي والتركيب الأيوني والحجم. [194] تحدد الضغوط التناضحية اتجاه انتشار الماء (أو التناضح) ، والذي ينتقل من منطقة يكون فيها الضغط الأسموزي (تركيز المذاب الكلي) منخفضًا إلى منطقة يكون فيها الضغط الاسموزي (إجمالي تركيز المذاب) مرتفعًا. تتنوع الحيوانات المائية فيما يتعلق بتركيبات سوائل الجسم وبيئاتها. على سبيل المثال ، تحتوي معظم الحيوانات اللافقارية في المحيط على سوائل جسم متكافئة مع مياه البحر. في المقابل ، تحتوي أسماك المحيطات العظمية على سوائل جسمية لا تتضخم مع مياه البحر. أخيرًا ، تمتلك حيوانات المياه العذبة سوائل جسمها مفرطة التناضح في المياه العذبة. الأيونات النموذجية التي يمكن العثور عليها في سوائل جسم الحيوان هي الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والكلوريد. يمكن تنظيم حجم سوائل الجسم عن طريق الإخراج. تمتلك الحيوانات الفقارية كلى ، وهي أعضاء مطروحة تتكون من هياكل أنبوبية دقيقة تسمى النيفرون ، والتي تصنع البول من بلازما الدم. تتمثل الوظيفة الأساسية للكلى في تنظيم تكوين وحجم بلازما الدم عن طريق إزالة المواد بشكل انتقائي من بلازما الدم نفسها. إن قدرة الحيوانات الجافة مثل فئران الكنغر على تقليل فقد الماء عن طريق إنتاج بول يتركز 10-20 مرة عن بلازما الدم تسمح لها بالتكيف في البيئات الصحراوية التي تتلقى القليل جدًا من الأمطار. [194]

التغذية والهضم

الحيوانات غيرية التغذية لأنها تتغذى على الكائنات الحية الأخرى للحصول على الطاقة والمركبات العضوية. [195] إنهم قادرون على الحصول على الطعام بثلاث طرق رئيسية مثل استهداف الأشياء الغذائية المرئية ، أو جمع جزيئات الطعام الصغيرة ، أو الاعتماد على الميكروبات لتلبية الاحتياجات الغذائية الحرجة. يمكن تحديد كمية الطاقة المخزنة في الطعام بناءً على كمية الحرارة (المقاسة بالسعرات الحرارية أو الكيلوجول) المنبعثة عند حرق الطعام في وجود الأكسجين. إذا كان الحيوان سيستهلك طعامًا يحتوي على كمية زائدة من الطاقة الكيميائية ، فسيخزن معظم هذه الطاقة في شكل دهون للاستخدام المستقبلي وبعض هذه الطاقة كجليكوجين للاستخدام الفوري (على سبيل المثال ، تلبية احتياجات طاقة الدماغ ). [195] الجزيئات في الغذاء هي لبنات بناء كيميائية ضرورية للنمو والتطور. تحتوي هذه الجزيئات على عناصر غذائية مثل الكربوهيدرات والدهون والبروتينات. الفيتامينات والمعادن (مثل الكالسيوم والمغنيسيوم والصوديوم والفوسفور) ضرورية أيضًا. يشارك الجهاز الهضمي ، الذي يتكون عادةً من قناة أنبوبية تمتد من الفم إلى فتحة الشرج ، في تكسير (أو هضم) الطعام إلى جزيئات صغيرة أثناء انتقاله إلى أسفل عبر تجويف الأمعاء بعد فترة وجيزة من تناوله. يتم بعد ذلك امتصاص جزيئات الطعام الصغيرة هذه في الدم من التجويف ، حيث يتم توزيعها بعد ذلك على باقي الجسم كوحدات بناء (مثل الأحماض الأمينية) أو مصادر للطاقة (مثل الجلوكوز). [195]

بالإضافة إلى السبيل الهضمي ، تمتلك الفقاريات غددًا ملحقة مثل الكبد والبنكرياس كجزء من أجهزتها الهضمية. [195] تبدأ معالجة الطعام في هذه الحيوانات من المعى الأمامي والذي يشمل الفم والمريء والمعدة. يبدأ الهضم الميكانيكي للطعام في الفم حيث يعمل المريء كممر للطعام للوصول إلى المعدة ، حيث يتم تخزينه وتفككه (بواسطة حمض المعدة) لمزيد من المعالجة. عند مغادرة المعدة ، يدخل الطعام إلى الأمعاء الوسطى ، وهو الجزء الأول من الأمعاء (أو الأمعاء الدقيقة في الثدييات) وهو الموقع الرئيسي لعملية الهضم والامتصاص. يتم تخزين الطعام الذي لا يتم امتصاصه على شكل فضلات غير قابلة للهضم (أو براز) في المعى الخلفي ، وهو الجزء الثاني من الأمعاء (أو الأمعاء الغليظة في الثدييات). ثم يكمل المعى الخلفي امتصاص الماء والملح اللازمين قبل التخلص من البراز من المستقيم. [195]

عمليه التنفس

يتكون الجهاز التنفسي من أعضاء وهياكل محددة تستخدم لتبادل الغازات في الحيوانات والنباتات. يختلف علم التشريح وعلم وظائف الأعضاء الذي يجعل هذا يحدث اختلافًا كبيرًا ، اعتمادًا على حجم الكائن الحي والبيئة التي يعيش فيها وتاريخه التطوري. في الحيوانات البرية ، يتم استيعاب السطح التنفسي كبطانات للرئتين. [196] يحدث تبادل الغازات في الرئتين في ملايين الأكياس الهوائية الصغيرة في الثدييات والزواحف وتسمى الحويصلات الهوائية ، وفي الطيور تُعرف باسم الأذينين. تحتوي هذه الأكياس الهوائية المجهرية على إمداد دم غني جدًا ، مما يجعل الهواء على اتصال وثيق بالدم. [197] تتواصل هذه الأكياس الهوائية مع البيئة الخارجية عبر نظام من الممرات الهوائية ، أو الأنابيب المجوفة ، وأكبرها هي القصبة الهوائية ، والتي تتفرع في منتصف الصدر إلى القصبتين الرئيسيتين. تدخل هذه إلى الرئتين حيث تتفرع إلى قصبات ثانوية وثالثية أضيق تدريجيًا تتفرع إلى العديد من الأنابيب الأصغر ، القصيبات. في الطيور تسمى القصيبات parabronchi. إنها القصيبات ، أو شبه القصبات التي تنفتح عمومًا على الحويصلات المجهرية في الثدييات والأذينين في الطيور. يجب ضخ الهواء من البيئة إلى الحويصلات الهوائية أو الأذينين من خلال عملية التنفس التي تتضمن عضلات التنفس.

الدوران

يتكون الجهاز الدوري عادة من مضخة عضلية مثل القلب والسوائل (الدم) ونظام الأوعية الدموية التي توصلها. [198] [199] وتتمثل وظيفته الرئيسية في نقل الدم والمواد الأخرى من وإلى الخلايا (البيولوجيا) والأنسجة. هناك نوعان من أجهزة الدورة الدموية: مفتوحة ومغلقة. في أنظمة الدورة الدموية المفتوحة ، يخرج الدم من الأوعية الدموية حيث يدور في جميع أنحاء الجسم بينما في الدورة الدموية المغلقة ، يتم احتواء الدم داخل الأوعية الدموية أثناء دورانها. يمكن ملاحظة أنظمة الدورة الدموية المفتوحة في الحيوانات اللافقارية مثل المفصليات (مثل الحشرات والعناكب والكركند) بينما يمكن العثور على أنظمة الدورة الدموية المغلقة في الحيوانات الفقارية مثل الأسماك والبرمائيات والثدييات. يحدث الدوران في الحيوانات بين نوعين من الأنسجة: الأنسجة الجهازية وأعضاء التنفس (أو الرئة). [198] الأنسجة الجهازية هي جميع الأنسجة والأعضاء التي تتكون منها جسم الحيوان بخلاف أعضائه التنفسية. تمتص الأنسجة الجهازية الأكسجين ولكنها تضيف ثاني أكسيد الكربون إلى الدم بينما تمتص الأعضاء التنفسية ثاني أكسيد الكربون ولكنها تضيف الأكسجين إلى الدم. [200] في الطيور والثدييات ، يرتبط النظامان الجهازي والرئوي في سلسلة.

في الدورة الدموية ، الدم مهم لأنه الوسيلة التي يتم من خلالها نقل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والمغذيات والهرمونات وعوامل الجهاز المناعي والحرارة والنفايات وغيرها من السلع. [198] في الحلقات مثل ديدان الأرض والعلقات ، يتم دفع الدم عن طريق الموجات التمعجية لانقباضات عضلات القلب التي تتكون منها الأوعية الدموية. الحيوانات الأخرى مثل القشريات (مثل جراد البحر والكركند) لديها أكثر من قلب لدفع الدم في جميع أنحاء أجسامها. قلوب الفقاريات متعددة الغرف وقادرة على ضخ الدم عندما تنقبض البطينين في كل دورة قلبية ، مما يدفع الدم عبر الأوعية الدموية. [198] على الرغم من أن قلوب الفقاريات تكون عضلية المنشأ ، إلا أن معدل تقلصها (أو معدل ضربات القلب) يمكن تعديله عن طريق المدخلات العصبية من الجهاز العصبي اللاإرادي بالجسم.

العضلات والحركة

في الفقاريات ، يتكون الجهاز العضلي من عضلات هيكلية وملساء وعضلات قلبية. يسمح بحركة الجسم ويحافظ على وضعية الجسم ويدور الدم في جميع أنحاء الجسم. [201] جنبا إلى جنب مع الهيكل العظمي ، فإنه يشكل الجهاز العضلي الهيكلي ، وهو المسؤول عن حركة الحيوانات الفقارية. [202] تقلصات العضلات الهيكلية هي عصبية المنشأ لأنها تتطلب مدخلات متشابكة من الخلايا العصبية الحركية. خلية عصبية حركية واحدة قادرة على تعصب ألياف عضلية متعددة ، مما يتسبب في تقلص الألياف في نفس الوقت. بمجرد أن يتم تعصيبها ، تنزلق خيوط البروتين داخل كل ليف عضلي هيكلي متجاوزًا بعضها البعض لإنتاج تقلص ، وهو ما تفسره نظرية الخيوط المنزلقة. يمكن وصف الانكماش الناتج على أنه ارتعاش أو تجميع أو كزاز ، اعتمادًا على تواتر إمكانات الفعل. على عكس عضلات الهيكل العظمي ، فإن تقلصات العضلات الملساء والقلبية تكون عضلية المنشأ لأنها تبدأ من قبل الخلايا العضلية الملساء أو عضلات القلب نفسها بدلاً من الخلايا العصبية الحركية. ومع ذلك ، يمكن تعديل قوة تقلصاتهم عن طريق إدخال من الجهاز العصبي اللاإرادي. تتشابه آليات الانقباض في جميع أنسجة العضلات الثلاثة.

في اللافقاريات مثل ديدان الأرض والعلقات ، تشكل خلايا العضلات الدائرية والطولية جدار جسم هذه الحيوانات وهي مسؤولة عن حركتها. [203] في دودة الأرض التي تتحرك عبر التربة ، على سبيل المثال ، تحدث تقلصات العضلات الدائرية والطولية بشكل متبادل بينما يعمل السائل الجوفي كهيكل مائي عن طريق الحفاظ على تمزق دودة الأرض. [204] تمتلك حيوانات أخرى مثل الرخويات والديدان الخيطية عضلات مخططة بشكل غير مباشر ، والتي تحتوي على عصابات من الخيوط السميكة والرفيعة التي يتم ترتيبها حلزونيًا بدلاً من عرضي ، كما هو الحال في عضلات الهيكل العظمي أو عضلات القلب. [205] الحشرات المتقدمة مثل الدبابير والذباب والنحل والخنافس تمتلك عضلات غير متزامنة تشكل عضلات الطيران في هذه الحيوانات. [205] غالبًا ما تسمى عضلات الطيران هذه عضلات ليفية لأنها تحتوي على ليفية عضلية سميكة وواضحة. [206]

الجهاز العصبي

الجهاز العصبي عبارة عن شبكة من الخلايا تعالج المعلومات الحسية وتولد السلوكيات. على المستوى الخلوي ، يتم تعريف الجهاز العصبي من خلال وجود الخلايا العصبية ، وهي خلايا متخصصة في التعامل مع المعلومات. [208] يمكنهم نقل أو استقبال المعلومات في مواقع جهات الاتصال تسمى نقاط الاشتباك العصبي. [208] بشكل أكثر تحديدًا ، يمكن للخلايا العصبية توصيل نبضات عصبية (أو جهود فعلية) تنتقل على طول أليافها الرقيقة المسماة بالمحاور ، والتي يمكن أن تنتقل مباشرة إلى خلية مجاورة من خلال المشابك الكهربائية أو تسبب إطلاق مواد كيميائية تسمى الناقلات العصبية في المشابك الكيميائية. وفقًا لنظرية الصوديوم ، يمكن توليد جهود العمل هذه من خلال زيادة نفاذية غشاء الخلية العصبية لأيونات الصوديوم. [209] قد يتم إثارة أو تثبيط الخلايا مثل الخلايا العصبية أو الخلايا العضلية عند تلقي إشارة من خلية عصبية أخرى. يمكن أن تشكل الروابط بين الخلايا العصبية مسارات عصبية ودوائر عصبية وشبكات أكبر تولد إدراك الكائن الحي للعالم وتحديد سلوكه. إلى جانب الخلايا العصبية ، يحتوي الجهاز العصبي على خلايا متخصصة أخرى تسمى الخلايا الدبقية أو الدبقية ، والتي توفر الدعم الهيكلي والتمثيل الغذائي.

توجد الأنظمة العصبية في معظم الحيوانات متعددة الخلايا ، ولكنها تختلف اختلافًا كبيرًا في التعقيد. [210] في الفقاريات ، يتكون الجهاز العصبي من الجهاز العصبي المركزي (CNS) ، والذي يشمل الدماغ والحبل الشوكي ، والجهاز العصبي المحيطي (PNS) ، والذي يتكون من الأعصاب التي تربط الجهاز العصبي المركزي بكل جزء آخر من الجهاز العصبي. هيئة. تسمى الأعصاب التي تنقل الإشارات من الجهاز العصبي المركزي بالأعصاب الحركية أو الأعصاب الصادرة ، بينما تسمى الأعصاب التي تنقل المعلومات من الجسم إلى الجهاز العصبي المركزي بالأعصاب الحسية أو الأعصاب الواردة. الأعصاب الشوكية هي أعصاب مختلطة تخدم كلا الوظيفتين. ينقسم الجهاز العصبي المحيطي إلى ثلاثة أنظمة فرعية منفصلة ، الجهاز العصبي الجسدي ، اللاإرادي ، والجهاز العصبي المعوي. تتوسط الأعصاب الجسدية الحركة الإرادية. ينقسم الجهاز العصبي اللاإرادي إلى الجهاز العصبي السمبثاوي والجهاز السمبثاوي. يتم تنشيط الجهاز العصبي الودي في حالات الطوارئ لتعبئة الطاقة ، بينما يتم تنشيط الجهاز العصبي السمبتاوي عندما تكون الكائنات الحية في حالة استرخاء. يعمل الجهاز العصبي المعوي على التحكم في الجهاز الهضمي. كلا الجهازين العصبي اللاإرادي والمعوي يعملان بشكل لا إرادي. تسمى الأعصاب التي تخرج مباشرة من الدماغ بالأعصاب القحفية بينما تسمى الأعصاب الخارجة من النخاع الشوكي بالأعصاب الشوكية.

تمتلك العديد من الحيوانات أعضاء حسية يمكنها اكتشاف بيئتها. تحتوي هذه الأعضاء الحسية على مستقبلات حسية ، وهي خلايا عصبية حسية تحول المنبهات إلى إشارات كهربائية. [211] المستقبلات الميكانيكية ، على سبيل المثال ، والتي يمكن أن توجد في الجلد والعضلات وأجهزة السمع ، تولد إمكانات فعل استجابة للتغيرات في الضغوط. [211] [212] يمكن للخلايا المستقبِلة للضوء مثل العصي والمخاريط ، والتي هي جزء من شبكية الفقاريات ، أن تستجيب لأطوال موجية محددة من الضوء. [211] [212] تكتشف المستقبلات الكيميائية المواد الكيميائية في الفم (الذوق) أو في الهواء (الرائحة). [212]

السيطرة الهرمونية

تشير الهرمونات إلى الجزيئات المنقولة في الدم إلى الأعضاء البعيدة لتنظيم وظائفها. [213] [214] تفرز الغدد الداخلية الهرمونات التي تشكل جزءًا من نظام الغدد الصماء للحيوان. في الفقاريات ، الوطاء هو مركز التحكم العصبي لجميع أنظمة الغدد الصماء. في البشر على وجه التحديد ، الغدد الصماء الرئيسية هي الغدة الدرقية والغدد الكظرية. العديد من الأعضاء الأخرى التي تشكل جزءًا من أجهزة الجسم الأخرى لها وظائف ثانوية للغدد الصماء ، بما في ذلك العظام والكلى والكبد والقلب والغدد التناسلية. على سبيل المثال ، تفرز الكلى هرمون الغدد الصماء إرثروبويتين. يمكن أن تكون الهرمونات عبارة عن مجمعات من الأحماض الأمينية أو الستيرويدات أو الإيكوسانويد أو الليكوترين أو البروستاجلاندين. [215] يمكن أن يتناقض نظام الغدد الصماء مع كل من الغدد الصماء الخارجية ، التي تفرز الهرمونات إلى خارج الجسم ، ويشير paracrine بين الخلايا على مسافة قصيرة نسبيًا. لا تحتوي الغدد الصماء على قنوات ، وهي وعائية ، وعادة ما تحتوي على فجوات أو حبيبات داخل الخلايا تخزن هرموناتها. في المقابل ، تميل الغدد الخارجية ، مثل الغدد اللعابية والغدد العرقية والغدد داخل الجهاز الهضمي ، إلى أن تكون أقل بكثير من الأوعية الدموية ولها قنوات أو تجويف مجوف.

تكاثر الحيوانات

يمكن أن تتكاثر الحيوانات بإحدى طريقتين: اللاجنسية والجنسية. تقريبا جميع الحيوانات تشارك في شكل من أشكال التكاثر الجنسي. [216] تنتج الأمشاج أحادية الصيغة الصبغية عن طريق الانقسام الاختزالي. الأمشاج الأصغر المتحركة هي الحيوانات المنوية والأمشاج الأكبر غير المتحركة هي البويضات. [217] تندمج هذه لتشكيل البيضة الملقحة ، [218] والتي تتطور عبر الانقسام الفتيلي إلى كرة مجوفة تسمى الأريمة. في الإسفنج ، تسبح يرقات بلاستولا إلى مكان جديد ، وتلتصق بقاع البحر ، وتتطور إلى إسفنجة جديدة. [219] في معظم المجموعات الأخرى ، تخضع الأريمة لإعادة ترتيب أكثر تعقيدًا. [220] ينطلق أولاً لتشكيل معدة مع حجرة هضمية وطبقتين جرثومية منفصلتين ، وأديم خارجي خارجي وأديم باطن داخلي. [221] في معظم الحالات ، تتكوّن أيضًا طبقة جرثومية ثالثة ، هي الأديم المتوسط ​​، بينهما. [222] ثم تتمايز هذه الطبقات الجرثومية لتشكل أنسجة وأعضاء. [223] بعض الحيوانات قادرة على التكاثر اللاجنسي ، مما يؤدي غالبًا إلى استنساخ وراثي للوالد. قد يحدث هذا من خلال براعم التجزئة ، مثل في العدار وغيرها من الكائنات المجوفة أو التوالد العذري ، حيث يتم إنتاج البيض المخصب دون تزاوج ، كما هو الحال في حشرات المن. [224] [225]

تنمية الحيوان

يبدأ نمو الحيوان بتكوين الزيجوت الناتج عن اندماج الحيوانات المنوية والبويضة أثناء الإخصاب. [226] تخضع البيضة الملقحة لجولات متعددة سريعة من فترة الخلية الانقسامية من انقسامات الخلية تسمى الانقسام ، والتي تشكل كرة من الخلايا المماثلة تسمى الأريمة. يحدث الجضم ، حيث تقوم الحركات المورفولوجية بتحويل كتلة الخلية إلى ثلاث طبقات جرثومية تتكون من الأديم الظاهر والأديم المتوسط ​​والأديم الباطن.

تشير نهاية المعدة إلى بداية تكوين الأعضاء ، حيث تشكل الطبقات الجرثومية الثلاث الأعضاء الداخلية للكائن الحي. [227] تخضع خلايا كل طبقة من الطبقات الجرثومية الثلاث لعملية تمايز ، وهي عملية تصبح فيها الخلايا الأقل تخصصًا أكثر تخصصًا من خلال التعبير عن مجموعة محددة من الجينات. يتأثر التمايز الخلوي بالإشارات خارج الخلية مثل عوامل النمو التي يتم تبادلها مع الخلايا المجاورة ، والتي تسمى إشارات juxtracrine ، أو إلى الخلايا المجاورة على مسافات قصيرة ، وهو ما يسمى إشارات paracrine. [228] [229] تتكون الإشارات داخل الخلايا من خلية ترسل إشارات ذاتية (autocrine signaling) ، وتلعب أيضًا دورًا في تكوين الأعضاء. تسمح مسارات الإشارات هذه بإعادة ترتيب الخلايا وتضمن أن الأعضاء تتشكل في مواقع محددة داخل الكائن الحي. [227] [230]

الجهاز المناعي

جهاز المناعة عبارة عن شبكة من العمليات البيولوجية التي تكتشف وتستجيب لمجموعة متنوعة من مسببات الأمراض. العديد من الأنواع لها نظامان فرعيان رئيسيان في جهاز المناعة. يوفر الجهاز المناعي الفطري استجابة مسبقة التكوين لمجموعات واسعة من المواقف والمحفزات. يوفر نظام المناعة التكيفي استجابة مخصصة لكل محفز من خلال تعلم التعرف على الجزيئات التي واجهها سابقًا. كلاهما يستخدم الجزيئات والخلايا لأداء وظائفهما.

تمتلك جميع الكائنات الحية تقريبًا نوعًا من جهاز المناعة. تمتلك البكتيريا جهازًا مناعيًا بدائيًا على شكل إنزيمات تحمي من العدوى بالفيروسات. تطورت آليات المناعة الأساسية الأخرى في النباتات والحيوانات القديمة وظلت في أحفادها الحديثة. وتشمل هذه الآليات البلعمة ، والببتيدات المضادة للميكروبات تسمى الديفينسين ، والنظام التكميلي. تمتلك الفقاريات الفكية ، بما في ذلك البشر ، آليات دفاع أكثر تعقيدًا ، بما في ذلك القدرة على التكيف للتعرف على مسببات الأمراض بشكل أكثر كفاءة. تخلق المناعة التكيفية (أو المكتسبة) ذاكرة مناعية تؤدي إلى استجابة معززة للمواجهات اللاحقة مع نفس العامل الممرض. عملية المناعة المكتسبة هذه هي أساس التطعيم.

سلوك الحيوان

تلعب السلوكيات دورًا مركزيًا في تفاعل الحيوانات مع بعضها البعض ومع بيئتها. [231] يمكنهم استخدام عضلاتهم للاقتراب من بعضهم البعض والتعبير عن أنفسهم والبحث عن مأوى والهجرة. ينشط الجهاز العصبي للحيوان سلوكياته وينسقها. أنماط العمل الثابتة ، على سبيل المثال ، هي سلوكيات نمطية محددة وراثيا تحدث دون تعلم. [231] [232] هذه السلوكيات تحت سيطرة الجهاز العصبي ويمكن أن تكون معقدة للغاية. [231] تشمل الأمثلة نقر فراخ طائر النورس على النقطة الحمراء على منقار أمهاتهم. تشمل السلوكيات الأخرى التي ظهرت نتيجة الانتقاء الطبيعي البحث عن الطعام والتزاوج والإيثار. [233] بالإضافة إلى السلوك المتطور ، طورت الحيوانات قدرتها على التعلم عن طريق تعديل سلوكياتها نتيجة للتجارب الفردية المبكرة. [231]

علم البيئة

النظم البيئية

علم البيئة هو دراسة توزيع ووفرة الكائنات الحية والتفاعل بينها وبين بيئتها. [234] مجتمع الكائنات الحية (الحيوية) جنبًا إلى جنب مع المكونات غير الحية (اللاأحيائية) (مثل الماء والضوء والإشعاع ودرجة الحرارة والرطوبة والجو والحموضة والتربة) في بيئتهم يسمى النظام البيئي. [235] [236] [237] ترتبط هذه المكونات الحيوية وغير الحيوية معًا من خلال دورات المغذيات وتدفقات الطاقة. [238] تدخل الطاقة من الشمس إلى النظام من خلال عملية التمثيل الضوئي ويتم دمجها في أنسجة النبات. من خلال التغذية على النباتات وعلى بعضها البعض ، تلعب الحيوانات دورًا مهمًا في حركة المادة والطاقة عبر النظام. كما أنها تؤثر على كمية الكتلة الحيوية النباتية والميكروبية الموجودة. من خلال تكسير المواد العضوية الميتة ، تقوم المُحلِّلات بإطلاق الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي وتسهيل دورة المغذيات عن طريق تحويل العناصر الغذائية المخزنة في الكتلة الحيوية الميتة إلى شكل يمكن أن تستخدمه النباتات والميكروبات الأخرى بسهولة. [239]

تتشكل البيئة المادية للأرض من خلال الطاقة الشمسية والتضاريس. [237] تختلف كمية مدخلات الطاقة الشمسية في المكان والزمان بسبب الشكل الكروي للأرض وميلها المحوري. يؤدي التباين في مدخلات الطاقة الشمسية إلى أنماط الطقس والمناخ. الطقس هو درجة الحرارة اليومية ونشاط هطول الأمطار ، في حين أن المناخ هو متوسط ​​الطقس على المدى الطويل ، وعادة ما يتم متوسطه على مدى 30 عامًا. [240] [241] يؤدي التباين في التضاريس أيضًا إلى عدم تجانس بيئي. على الجانب المواجه للريح من الجبل ، على سبيل المثال ، يرتفع الهواء ويبرد ، مع تغير الماء من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة أو الصلبة ، مما يؤدي إلى هطول الأمطار مثل المطر أو الثلج. [237] نتيجة لذلك ، تسمح البيئات الرطبة للنباتات المورقة بالنمو. في المقابل ، تميل الظروف إلى أن تكون جافة على الجانب المواجه للريح من الجبل بسبب قلة هطول الأمطار مع نزول الهواء ودفئه ، وتبقى الرطوبة كبخار ماء في الغلاف الجوي. تعتبر درجة الحرارة وهطول الأمطار من العوامل الرئيسية التي تشكل المناطق الأحيائية الأرضية.

السكان

السكان هو عدد الكائنات الحية من نفس النوع التي تشغل منطقة وتتكاثر من جيل إلى جيل. [242] [243] [244] [245] [246] يمكن قياس وفرتها باستخدام الكثافة السكانية ، وهي عدد الأفراد لكل وحدة مساحة (مثل الأرض أو الشجرة) أو الحجم (على سبيل المثال ، البحر أو الجو). [242] نظرًا لأنه من غير العملي عادةً حساب كل فرد ضمن مجموعة سكانية كبيرة لتحديد حجمها ، يمكن تقدير حجم السكان بضرب الكثافة السكانية في المنطقة أو الحجم. يمكن تحديد النمو السكاني خلال فترات قصيرة المدى باستخدام معادلة معدل النمو السكاني ، والتي تأخذ في الاعتبار معدلات الولادة والوفاة والهجرة. على المدى الطويل ، يميل النمو الأسي للسكان إلى التباطؤ عندما يصل إلى قدرته الاستيعابية ، والتي يمكن نمذجتها باستخدام المعادلة اللوجستية. [243] القدرة الاستيعابية للبيئة هي الحد الأقصى لحجم العشائر للأنواع التي يمكن أن تحافظ عليها تلك البيئة المحددة ، بالنظر إلى الغذاء والموئل والمياه والموارد الأخرى المتاحة. [247] يمكن أن تتأثر القدرة الاستيعابية للسكان بتغير الظروف البيئية مثل التغيرات في الموارد المتاحة وتكلفة صيانتها. في المجتمعات البشرية ، ساعدت التقنيات الجديدة مثل الثورة الخضراء على زيادة القدرة الاستيعابية للأرض للبشر بمرور الوقت ، مما أعاق محاولة التنبؤ بالتراجع السكاني الوشيك ، والذي اشتهر به توماس مالتوس في القرن الثامن عشر. [242]

مجتمعات

المجتمع هو مجموعة من السكان من نوعين مختلفين أو أكثر يشغلون نفس المنطقة الجغرافية في نفس الوقت. التفاعل البيولوجي هو التأثير الذي يحدثه زوج من الكائنات الحية معًا في مجتمع ما على بعضهما البعض. يمكن أن تكون إما من نفس النوع (تفاعلات غير محددة) ، أو من أنواع مختلفة (تفاعلات بين الأنواع). قد تكون هذه التأثيرات قصيرة المدى ، مثل التلقيح والافتراس ، أو طويلة المدى غالبًا ما تؤثر بقوة على تطور الأنواع المعنية. يسمى التفاعل طويل المدى التكافل. تتراوح التكافلات من التبادلية ، المفيدة لكلا الشريكين ، إلى المنافسة ، الضارة لكلا الشريكين. [249]

يشارك كل نوع كمستهلك أو مورد أو كليهما في تفاعلات المستهلك والموارد ، والتي تشكل جوهر سلاسل الغذاء أو شبكات الغذاء. [٢٥٠] توجد مستويات غذائية مختلفة داخل أي شبكة غذائية ، حيث يكون المستوى الأدنى هو المنتجون الأساسيون (أو التغذية الذاتية) مثل النباتات والطحالب التي تحول الطاقة والمواد غير العضوية إلى مركبات عضوية ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك من قبل بقية الأعضاء. تواصل اجتماعي. [54] [251] [252] في المستوى التالي توجد الكائنات غيرية التغذية ، وهي الأنواع التي تحصل على الطاقة عن طريق تفكيك المركبات العضوية من الكائنات الحية الأخرى. [٢٥٠] تعتبر الكائنات غيرية التغذية التي تستهلك النباتات مستهلكين أساسيين (أو آكلات أعشاب) في حين أن الكائنات غيرية التغذية التي تستهلك العواشب هي مستهلكات ثانوية (أو آكلات لاحمة). وأولئك الذين يأكلون مستهلكين ثانويين هم مستهلكون من الدرجة الثالثة وما إلى ذلك. الكائنات غيرية التغذية قادرة على الاستهلاك على مستويات متعددة. أخيرًا ، هناك محللات تتغذى على منتجات النفايات أو جثث الكائنات الحية. [250]

في المتوسط ​​، يبلغ إجمالي كمية الطاقة المدمجة في الكتلة الحيوية للمستوى الغذائي لكل وحدة زمنية حوالي عُشر طاقة المستوى الغذائي الذي تستهلكه. تشكل النفايات والمواد الميتة التي تستخدمها أجهزة التحلل وكذلك الحرارة المفقودة من عملية التمثيل الغذائي نسبة التسعين بالمائة الأخرى من الطاقة التي لا يستهلكها المستوى الغذائي التالي. [253]

المحيط الحيوي

في النظام الإيكولوجي العالمي (أو المحيط الحيوي) ، توجد المادة كمقصورات تفاعلية مختلفة ، والتي يمكن أن تكون حيوية أو غير حيوية ويمكن الوصول إليها أو يتعذر الوصول إليها ، اعتمادًا على أشكالها ومواقعها. [255] على سبيل المثال ، المادة من الكائنات ذاتية التغذية الأرضية حيوية ومتاحة للكائنات الحية الأخرى في حين أن المادة الموجودة في الصخور والمعادن غير حيوية ولا يمكن للكائنات الحية الوصول إليها. الدورة البيوجيوكيميائية هي مسار يتم من خلاله قلب عناصر معينة من المادة أو نقلها عبر الأجزاء الحيوية (الغلاف الحيوي) واللاأحيائية (الغلاف الصخري والغلاف الجوي والغلاف المائي) للأرض. هناك دورات بيوجيوكيميائية للنيتروجين والكربون والماء. في بعض الدورات هناك الخزانات حيث تبقى المادة أو يتم عزلها لفترة طويلة من الزمن.

يشمل تغير المناخ كلاً من الاحترار العالمي الناجم عن انبعاثات غازات الدفيئة التي يسببها الإنسان وما ينتج عن ذلك من تحولات واسعة النطاق في أنماط الطقس. على الرغم من وجود فترات سابقة من التغير المناخي ، إلا أنه منذ منتصف القرن العشرين كان للبشر تأثير غير مسبوق على نظام مناخ الأرض وتسبب في حدوث تغير على نطاق عالمي. [256] أكبر دافع للاحترار هو انبعاث غازات الاحتباس الحراري ، وأكثر من 90٪ منها عبارة عن ثاني أكسيد الكربون والميثان. [257] حرق الوقود الأحفوري (الفحم والنفط والغاز الطبيعي) لاستهلاك الطاقة هو المصدر الرئيسي لهذه الانبعاثات ، مع مساهمات إضافية من الزراعة وإزالة الغابات والتصنيع.[258] يتم تسريع ارتفاع درجة الحرارة أو تخفيفه من خلال ردود الفعل المناخية ، مثل فقدان الثلوج والغطاء الجليدي العاكس لأشعة الشمس ، وزيادة بخار الماء (أحد غازات الدفيئة نفسها) ، والتغيرات في مصارف الكربون في الأرض والمحيطات.

الحفاظ على

بيولوجيا الحفظ هي دراسة الحفاظ على التنوع البيولوجي للأرض بهدف حماية الأنواع وموائلها والنظم البيئية من معدلات الانقراض المفرطة وتآكل التفاعلات الحيوية. [259] [260] [261] يهتم بالعوامل التي تؤثر في الحفاظ على التنوع البيولوجي وفقدانه واستعادته وعلم العمليات التطورية المستدامة التي تولد تنوعًا وراثيًا وتعدادًا وأنواعًا ونظامًا بيئيًا. [262] [263] [264] [265] ينبع القلق من التقديرات التي تشير إلى أن ما يصل إلى 50٪ من جميع الأنواع على الكوكب ستختفي خلال الخمسين عامًا القادمة ، [266] مما ساهم في الفقر والجوع والإرادة إعادة تعيين مسار التطور على هذا الكوكب. [267] [268] يؤثر التنوع البيولوجي على عمل النظم البيئية ، التي توفر مجموعة متنوعة من الخدمات التي يعتمد عليها الناس.

يقوم علماء بيولوجيا الحفظ بالبحث والتثقيف حول اتجاهات فقدان التنوع البيولوجي ، وانقراض الأنواع ، والتأثير السلبي لهذه الاتجاهات على قدراتنا للحفاظ على رفاهية المجتمع البشري. تستجيب المنظمات والمواطنون لأزمة التنوع البيولوجي الحالية من خلال خطط عمل الحفظ التي توجه الأبحاث والمراقبة والبرامج التعليمية التي تشغل الاهتمامات على المستوى المحلي من خلال النطاقات العالمية. [269] [262] [263] [264]


تينا م. هينكين أستاذة علم الأحياء الدقيقة وروبرت و. وإستيل س. بينغهام أستاذة العلوم البيولوجية في جامعة ولاية أوهايو ، حيث كانت تقوم بالتدريس منذ عام 1995. حصلت الدكتورة هينكين على درجة الدكتوراه في علم الوراثة من جامعة ويسكونسن.

جوزيف إي بيترز أستاذ علم الأحياء الدقيقة ومدير برنامج الدراسات العليا في علم الأحياء الدقيقة في جامعة كورنيل ، حيث يقوم بالتدريس منذ عام 2002. حصل الدكتور بيترز على درجة الدكتوراه في علم الأحياء الدقيقة من جامعة ماريلاند.


البكتيريا والمرض

يمكن أن تتكاثر البكتيريا وتسبب عدوى في مجرى الدم. يشار إلى غزو مجرى الدم من قبل نوع معين من البكتيريا باسم تجرثم الدم. إذا أطلقت البكتيريا الغازية أيضًا سمومًا في مجرى الدم ، فيمكن أيضًا تسمية المرض بتسمم الدم أو تسمم الدم. المكورات العنقودية و العقدية عادة ما تترافق مع تسمم الدم.

يكون مجرى الدم عرضة للغزو من قبل البكتيريا التي تدخل عن طريق جرح أو تآكل في طبقة الجلد الواقية للجسم ، أو نتيجة لعدوى أخرى في مكان آخر من الجسم ، أو بعد إدخال البكتيريا أثناء إجراء جراحي أو عن طريق إبرة أثناء حقن الدواء.

اعتمادًا على هوية البكتيريا المسببة للعدوى والحالة الفيزيائية للمضيف البشري (في المقام الأول فيما يتعلق بكفاءة الجهاز المناعي) ، قد لا تنتج العدوى الجرثومية أي أعراض. ومع ذلك ، فإن بعض الالتهابات تنتج أعراضًا تتراوح من ارتفاع درجة الحرارة ، حيث يتكيف الجهاز المناعي مع العدوى ، إلى انتشار العدوى إلى القلب (التهاب الشغاف أو التهاب التامور) أو تغطية الخلايا العصبية (التهاب السحايا). في حالات نادرة ، يمكن أن تؤدي العدوى الجرثومية إلى حالة تعرف باسم الصدمة الإنتانية. يحدث هذا الأخير عندما تطغى العدوى على قدرة الجسم & # x0027s آليات الدفاع على التعامل. يمكن أن تكون الصدمة الإنتانية قاتلة.

عادة ما تنتج التهابات الإنتان الدموي عن انتشار عدوى مؤكدة. غالبًا ما تنشأ العدوى البكتيرية (وتسمم الدم) من البكتيريا الموجودة بشكل طبيعي على سطح الجلد أو الأسطح الداخلية ، مثل الخلايا الظهارية في الأمعاء. تكون البكتيريا في بيئاتها الطبيعية غير ضارة بل ويمكن أن تكون مفيدة. ومع ذلك ، إذا دخلوا إلى أجزاء أخرى من الجسم ، فإن هذه البكتيريا المزعومة يمكن أن تشكل تهديدًا على الصحة. يعتبر دخول هذه البكتيريا المتعايشة في مجرى الدم أمرًا طبيعيًا بالنسبة لمعظم الناس. ومع ذلك ، في غالبية الناس ، يكون الجهاز المناعي أكثر من قادر على التعامل مع الغزاة. إذا كان الجهاز المناعي لا يعمل بكفاءة ، فقد تكون البكتيريا الغازية قادرة على التكاثر وتكوين العدوى. ومن الأمثلة على الحالات التي تضر بالجهاز المناعي مرض آخر (مثل متلازمة نقص المناعة المكتسب وأنواع معينة من السرطان) ، وبعض العلاجات الطبية مثل التشعيع وتعاطي المخدرات أو الكحول.

من الأمثلة على البكتيريا الأكثر ارتباطًا بالعدوى الجرثومية المكورات العنقودية , العقدية , الزائفة , المستدمية ، و الإشريكية القولونية .

ينتج عن الموقع العام لتجرثم الدم أعراض عامة. يمكن أن تشمل هذه الأعراض حمى وقشعريرة وألم في البطن وغثيان مع قيء وشعور عام بسوء الصحة. ليست كل هذه الأعراض موجودة في نفس الوقت. قد تمنع الطبيعة غير النوعية للأعراض الطبيب من الاشتباه في تجرثم الدم حتى تثبت العدوى. تسبب الصدمة الإنتانية أعراضًا أكثر خطورة ، بما في ذلك ارتفاع معدلات التنفس وضربات القلب ، وفقدان الوعي وفشل الأعضاء في جميع أنحاء الجسم. يمكن أن تكون بداية الصدمة الإنتانية سريعة ، لذا فإن العناية الطبية العاجلة أمر بالغ الأهمية.

كما هو الحال مع العديد من أنواع العدوى الأخرى ، يمكن منع العدوى الجرثومية من خلال اتباع الإجراءات الصحية المناسبة بما في ذلك غسل اليدين وتنظيف الجروح وتنظيف مواقع الحقن لتحرير سطح البكتيريا الحية مؤقتًا. معدل العدوى الجرثومية الناتجة عن الجراحة أقل بكثير الآن مما كان عليه في الماضي ، بسبب ظهور الإجراءات الجراحية المعقمة ، لكنه لا يزال مصدر قلق كبير.

لا تؤدي العدوى البكتيرية دائمًا إلى المرض - حتى لو كان العامل الممرض خبيثًا (قادرًا على التسبب في المرض). يمكن أن تعتمد خطوات التسبب في المرض (عملية التسبب في مرض فعلي) على عدد من العوامل الوراثية والبيئية. في بعض الحالات ، تنتج البكتيريا المسببة للأمراض سمومًا تُطلق خارج الخلية (سموم خارجية) تهاجر من الموقع الفعلي للعدوى لتسبب تلفًا في الخلايا في أجزاء أخرى من الجسم.


شاهد الفيديو: Cell Structure and Function 2021 تركيب الخلية 1: مكوناتها و وظائفها سمير (ديسمبر 2022).